基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力機(jī)反饋線性化功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)恒功率控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的反饋線性化恒功率控制方法，，
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)風(fēng)速超過額定值以后，需要對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率進(jìn)行控制，常采用葉片自身的空 氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行失速控制或調(diào)節(jié)葉片槳距角的方式進(jìn)行。隨著變速技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于大 型風(fēng)力機(jī)，不僅可以通過改變槳距角的方式進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，還可以通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的方 式改變功率輸出。
[0003] 由于風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，具有時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)，因此，基于風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)建模及其 控制算法是一個(gè)研究熱點(diǎn)問題。反饋線性化控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于理解且控制性能良好，得到 廣泛應(yīng)用。在額定風(fēng)速以下，文獻(xiàn)[1-2]在最大風(fēng)能追蹤控制研究中建立了反饋線性化模 型，提高了控制系統(tǒng)魯棒性和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能捕獲。在額定風(fēng)速以上，包能勝 等[3]針對(duì)恒速風(fēng)力機(jī)，以仿射非線性技術(shù)將非線性的風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)映射為線性系統(tǒng)，再設(shè)計(jì) 其反饋控制律，通過調(diào)節(jié)變槳角度實(shí)現(xiàn)功率恒定輸出，整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力較好。陳思哲等
[4] 以電磁轉(zhuǎn)矩為控制輸入，采用反饋線性化技術(shù)實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)力機(jī)的恒功率控制。楊俊華等 [5 ]以變槳角度為控制輸入，采用反饋線性化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)線性化，實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)力機(jī)的恒功 率控制。崔雙喜等[6]以輸出功率建立輸出方程，設(shè)計(jì)了最優(yōu)調(diào)節(jié)問題的控制律，再以期望 功率和實(shí)際功率誤差為跟蹤目標(biāo)，設(shè)計(jì)了最優(yōu)跟蹤問題的控制律，實(shí)現(xiàn)了基于反饋線性化 的風(fēng)力機(jī)變槳最優(yōu)跟蹤控制。在上述針對(duì)變速風(fēng)力機(jī)的恒功率控制中，要么控制轉(zhuǎn)矩，要么 控制變槳角度，缺乏對(duì)轉(zhuǎn)矩控制和變槳控制具體適用場(chǎng)合的研究。再者，風(fēng)力機(jī)工作環(huán)境復(fù) 雜，自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)存在不確定性，對(duì)控制結(jié)果產(chǎn)生影響，如何克服這個(gè)問題，上述文獻(xiàn)沒 有進(jìn)行這方面的研究。
[0004] 大型風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米，重達(dá)數(shù)噸，受物理結(jié)構(gòu)限制，變槳角度和變槳速率都 有一定要求。當(dāng)風(fēng)速超過額定值后，如果變化幅度很大，僅通過直接控制電磁轉(zhuǎn)矩的方式調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒功率控制有一定困難。當(dāng)風(fēng)速超過額定值后的幅度不大且變化很快時(shí)， 變槳距控制的實(shí)時(shí)性和精確性難以達(dá)到系統(tǒng)要求。另外，由于風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)難以 精確確定，模型會(huì)產(chǎn)生偏差，對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償也是值得研究的問題。針對(duì)基于反饋線性 化進(jìn)行恒功率控制中存在的不足，需要采用一種合理的控制策略，以期實(shí)現(xiàn)超過額定風(fēng)速 后風(fēng)速大幅變化和快速小幅波動(dòng)時(shí)的有效控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)以下現(xiàn)有的不足，提出了一種實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速變化很大和風(fēng)速變化較小且很快時(shí) 的靈活控制、并提高控制精度的基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力機(jī)反饋線性化功率控制方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力機(jī)反饋線性化功率控制方法，所 述風(fēng)力機(jī)的功率控制系統(tǒng)包括風(fēng)輪，風(fēng)速傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)矩傳感器，變槳控制器，變 槳執(zhí)行器，位置傳感器，傳動(dòng)鏈及電機(jī)，控制方法包括以下步驟：
[0006] 101、獲取風(fēng)力機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)，并建立變槳控制器的仿射非線性模型及轉(zhuǎn)矩控制器 的仿射非線性模型；
[0007] 102、再基于變槳控制器的仿射非線性模型及轉(zhuǎn)矩控制器的仿射非線性模型進(jìn)行 極點(diǎn)配置，得到變槳控制器的反饋控制律和轉(zhuǎn)矩控制器的反饋控制律；
[0008] 103、將并列設(shè)置的變槳控制器和轉(zhuǎn)矩控制器形成雙環(huán)控制，得到雙環(huán)控制器的閥 值，并形成雙環(huán)控制器的切換邏輯；
[0009] 104、風(fēng)速高于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速額定值時(shí)，當(dāng)由風(fēng)速引起的功率變化低于最小精度變槳角 度時(shí)功率的變化時(shí)，采用轉(zhuǎn)矩控制器；當(dāng)風(fēng)速變化速率超過變槳速率時(shí)，采用轉(zhuǎn)矩控制器； 當(dāng)由風(fēng)速產(chǎn)生的軸向作用力大于最大軸向力時(shí)，采用轉(zhuǎn)矩控制器進(jìn)行控制；否則，采用變槳 控制器進(jìn)行控制；
[0010] 105、對(duì)步驟104采用雙環(huán)控制的系統(tǒng)進(jìn)行RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
[0011] 進(jìn)一步的，所述變槳控制器的仿射非線性模型為
，xSn維狀態(tài) 向量，fl(x)和gl(X)表不光滑向量場(chǎng)，hl(x)表不充分光滑的非線性函數(shù)，UlEl^yieR。
[0012] 進(jìn)一步的，步驟102得如下反饋表達(dá)式：
[0013] vi = _kihi(x)，ki 為反饋系數(shù)。
[0014] 進(jìn)一步的，所述RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的激活函數(shù)選擇高斯函數(shù)或格林函數(shù) 作為RBF的基函數(shù)。
[0015] 進(jìn)一步的，當(dāng)選擇高斯函數(shù)時(shí)，表示為：
[0016]
[0017] 式中，hi為高斯基函數(shù)，由它構(gòu)成的徑向基向量為H= [hi，h2, +1?] ' ；bi為節(jié)點(diǎn)i的 基寬度參數(shù);乂=[11^2, -，1」'為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量；(^為第1個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心矢量，表示為
[Cil，Ci2，."Cim] '。
[0018] 進(jìn)一步的，基于RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償器如下：
(52)
[0019] 式中，nil為系統(tǒng)決定的系數(shù)；％為4的估計(jì)值，即為誤差估計(jì)值，其值由RBF神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)輸出決定；'是最佳誤差逼近;ζη為補(bǔ)償加權(quán)值。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0021] 本發(fā)明以反饋線性化理論為基礎(chǔ)，分別建立了控制轉(zhuǎn)矩和變槳角度的仿射非線性 模型，構(gòu)成額定風(fēng)速以上的雙環(huán)控制器。結(jié)合風(fēng)力機(jī)物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入控制器切換閥值。 由于風(fēng)力機(jī)是復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng)，并且工作環(huán)境復(fù)雜多變，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性會(huì) 影響控制結(jié)果。因此，以RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定性引起的誤差進(jìn)行 補(bǔ)償控制。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例風(fēng)力機(jī)恒功率控制結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為風(fēng)力機(jī)恒功率控制策略圖；
[0024]圖3為RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖4為本發(fā)明控制性能仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0027]如圖1所示，1)基于反饋線性化的變槳控制律設(shè)計(jì)
[0028] 風(fēng)力機(jī)功率控制系統(tǒng)主要是由風(fēng)輪，風(fēng)速傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)矩傳感器，變槳 控制器，變槳執(zhí)行器，位置傳感器，傳動(dòng)鏈，電機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)參見附圖1。
[0029] 來流風(fēng)速使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)鏈增速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電機(jī)(通常情況下，大型風(fēng)力機(jī)需 要增速機(jī)構(gòu)），可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)Betz理論，可得風(fēng)力機(jī)輸出軸功率為[7]:
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 式中，Pr為風(fēng)輪輸出軸功率，p為空氣密度，R為風(fēng)輪半徑，V為來流風(fēng)速，CP為風(fēng)能轉(zhuǎn) 換系數(shù)，λ為葉尖速比，β為變槳角度，c〇 r為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。
[0034] 由功率、轉(zhuǎn)矩和角速度關(guān)系可得[8]:
[0035] ΡΓ = ΤΓωΓ (3)
[0036] 式中，Tr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。
[0037] 由式(3)，可得轉(zhuǎn)矩為：
[0038]
.⑷
[0039] 對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪側(cè)轉(zhuǎn)速較低，常被稱為低速側(cè);經(jīng)過增速機(jī)構(gòu)后的電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn) 速較高，常被稱為高速側(cè)。
[0040] 低速側(cè)傳動(dòng)模型為[5]:
[0041 ]
(5)
[0042]式中，Jr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（和風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相比，主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，常忽 略），Tis為主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩。
[0043]高速側(cè)傳動(dòng)模型為：
[0044]
(6)
[0045]式中，Jg為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與次傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和，％為高速軸轉(zhuǎn)速加速度。 [0046]假設(shè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為剛性，傳動(dòng)比為：
[0047]
(7)
[0048] 其中，η為齒輪傳動(dòng)比。
[0049]由式(5)、（6)、（7)，可得如下式子：
[0050]
(8 )
[0051 ]大型風(fēng)力機(jī)葉片半徑長(zhǎng)，質(zhì)量大。因此，變槳機(jī)構(gòu)通常被作為一階慣性環(huán)節(jié)處理， 表達(dá)式如下[5]:
[0052]
(9)
[0053]式中，為時(shí)間常數(shù)，β為實(shí)測(cè)槳距角，&為控制槳距角。
[0054] 電機(jī)輸出功率由電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速確定，電磁轉(zhuǎn)矩大小可以通過控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)，電 機(jī)轉(zhuǎn)速由風(fēng)輪轉(zhuǎn)速經(jīng)傳動(dòng)軸傳遞。來流風(fēng)速使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，改變槳距角使葉片受力發(fā)生改變， 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速由此改變，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之發(fā)生變化。如果將電磁轉(zhuǎn)矩限定在一定值，可以通過改 變轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)恒功率輸出。
[0055] 以槳距角β和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ω r為狀態(tài)變量，槳距角βr為輸入控制量，電機(jī)角速度額定值 和實(shí)際值之差為輸出量，不考慮系統(tǒng)柔性，ω θ= ?g。狀態(tài)方程可表達(dá)為：
[0056]
[0057]