摘 要:風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用磁懸浮無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)，具有高轉(zhuǎn)速、無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)磨損、無(wú)機(jī)械噪聲、不需密封、高精度和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。磁懸浮系統(tǒng)是典型的非線性遲滯系統(tǒng),難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)PID控制難以取得良好的控制效果。為解決這一難題，針對(duì)磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了Fuzzy-PID 分級(jí)控制器，它結(jié)合了模糊控制超調(diào)小、穩(wěn)定性和魯棒性好以及PID控制快速性、精度高的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)是一種無(wú)固定閾值無(wú)觸點(diǎn)的切換方式，基于模糊規(guī)則的切換保證了兩種控制方式間的平穩(wěn)過(guò)渡，因而具有良好的跟蹤設(shè)定值能力和較好的抗干擾能力。通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行了磁懸浮無(wú)刷直流發(fā)電系統(tǒng)仿真,仿真結(jié)果表明, Fuzzy-PID 分級(jí)控制增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，具有很強(qiáng)的魯棒性。 關(guān)鍵詞: 風(fēng)力發(fā)電，磁懸浮系統(tǒng)，無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)，模糊PID分級(jí)控制 1.引言 近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的磁懸浮軸承,是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間沒(méi)有任何機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承。磁懸浮軸承具有高速度、無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)磨損、無(wú)機(jī)械噪聲、不需密封、高精度和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。但由于磁懸浮軸承本身占有一定的軸向空間和體積重量,軸向利用率低限制了其臨界轉(zhuǎn)速和輸出功率,影響到高速電機(jī)的輕型化、微型化。此外,磁懸浮軸承使得電機(jī)的成本過(guò)高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)也慢,影響了它的廣泛使用。利用磁懸浮軸承和電機(jī)結(jié)構(gòu)的相似性,將產(chǎn)生磁懸浮力的磁懸浮軸承繞組置入電機(jī)定子,省去專門的磁懸浮軸承（如圖1）,通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組的解耦控制[1],實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮,使電機(jī)轉(zhuǎn)子同時(shí)具有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和自懸浮功能,這樣,構(gòu)成了所謂的無(wú)軸承電機(jī)（Bearingless Motor）。將這一技術(shù)應(yīng)用到小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，這將是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的一大突破。與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比， 磁懸浮無(wú)軸承風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有尺寸小、功率密度高,能實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)磨損、無(wú)機(jī)械噪聲、和長(zhǎng)壽命等一系列優(yōu)點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用前景,已受到越來(lái)越高的重視。 磁懸浮系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng),控制系統(tǒng)只有滿足穩(wěn)定性、快速性、魯棒性和抗干擾性等要求才可以正常工作.但磁懸浮系統(tǒng)的特性參數(shù)隨時(shí)間變化而改變,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型[2],因此傳統(tǒng)的控制雖然能夠完成控制,卻難以達(dá)到理想的控制性能.模糊控制是一種語(yǔ)言控制,不依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,能夠直接從操作者的經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃優(yōu)化而得,但控制精確度不高,穩(wěn)態(tài)性能差. 采用模糊控制和PID控制相結(jié)合的分級(jí)控制方法，這樣既可以保證PID控制無(wú)靜差、靜態(tài)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，又兼有模糊控制自適應(yīng)能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)。本文將兩種方法結(jié)合起來(lái), ，設(shè)計(jì)了這樣一種控制器：在誤差較大時(shí)采用模糊控制，使系統(tǒng)以超調(diào)較小的良好動(dòng)態(tài)特性趨近設(shè)定值；在誤差較小，即趨于穩(wěn)定時(shí)采用PID控制算法發(fā)揮PID控制精確、靜態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步改善靜態(tài)特性。并設(shè)計(jì)了一種無(wú)觸點(diǎn)的切換方式。仿真和實(shí)驗(yàn)表明,該方法控制效果好,具有較強(qiáng)的魯棒性。 [align=center] 圖1 磁懸浮無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)懸浮力產(chǎn)生原理[/align] 2. 磁懸浮無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)工作原理 無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)（BLDG）由發(fā)電機(jī)本體和外圍電路部分組成。發(fā)電機(jī)本體為一永磁同步電機(jī)。圖2為磁懸浮無(wú)軸承的正弦波無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)磁懸浮力產(chǎn)生原理圖。定子中除繞有轉(zhuǎn)矩繞組Na和Nb外,還繞有懸浮力繞組NA和NB。這里,為了分析方便,將電機(jī)的三相轉(zhuǎn)矩繞組、三相懸浮力繞組分別等效成了兩相繞組。假設(shè)轉(zhuǎn)子在中心位置,無(wú)偏心,電機(jī)空載。4極均勻磁通 由永磁體產(chǎn)生，由于電機(jī)空載，轉(zhuǎn)矩繞組Na和Nb中的電流i4≈0,從而可忽略該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。當(dāng)NA繞組中通以正向電流而NB繞組不通電流時(shí),則產(chǎn)生一個(gè)a方向的2極磁場(chǎng)5A,其磁力線如圖所示。2極和4極磁場(chǎng)合成結(jié)果將使圖中2處氣隙磁通密度增加,磁場(chǎng)間隙力增大,而1處氣隙磁通密度減小,磁場(chǎng)間隙減小。最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子受到a負(fù)方向的合力F用以克服此方向的負(fù)載。如Na通以反向電流,則轉(zhuǎn)子受到a正方向的磁懸浮力。同理,NB繞組通電則可以產(chǎn)生B軸方向上的磁懸浮力。通過(guò)調(diào)節(jié)NA和NB中的電流便可產(chǎn)生任意方向的磁懸浮力,用以克服任意方向的負(fù)載,保證轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。 3．磁懸浮BLDG的Fuzzy-PID分級(jí)控制算法 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是磁懸浮無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn),控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩控制和懸浮位移控制兩部分組成。PID控制器的設(shè)計(jì),高精度的傳感檢測(cè)裝置,實(shí)時(shí)有效的控制算法等是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于系統(tǒng)是高階的,難以運(yùn)用傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)器, 本文采用Fuzzy—PID分級(jí)控制的方法，常規(guī)Fuzzy—PID控制的切換是根據(jù)事先給定的偏差范圍進(jìn)行自動(dòng)切換，切換點(diǎn)的選擇成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵[3]。過(guò)早地切換體現(xiàn)不出模糊控制的優(yōu)點(diǎn)而使超調(diào)量增大，而當(dāng)切換過(guò)遲時(shí)，若PD型模糊控制器存在較大的靜差，則可能進(jìn)入不了PID控制器而成為單一模糊控制的形式。因此憑經(jīng)驗(yàn)選擇切換點(diǎn)不易取得較好的控制效果[4]。另外，當(dāng)兩種控制器切換時(shí)，很難保證其輸出量相等而使控制量連續(xù)、不發(fā)生躍變，因而在切換過(guò)程中不可避免地存在擾動(dòng)，使超調(diào)增大，調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)。針對(duì)這些缺陷，下面設(shè)計(jì)一種基于模糊規(guī)則切換的Fuzzy—PID分級(jí)控制器（FSFC，F(xiàn)uzzy Switched Fuzzy—PID Controller）。如圖2所示。 常規(guī)Fuzzy—PID分級(jí)控制器的缺陷主要是由其按誤差大小的固定閾值進(jìn)行切換造成的[5]，為解決這一問(wèn)題，可設(shè)計(jì)一種無(wú)觸點(diǎn)的切換方式。基于模糊規(guī)則進(jìn)行切換的Fuzzy—PID控制器由如下的規(guī)則進(jìn)行切換： If e is Z[sub]e[/sub] and ec is Z[sub]ec[/sub], then U is U[sub]p[/sub] else U is U[sub]f[/sub] 其中U[sub]p [/sub]和U[sub]f[/sub]分別為PID控制器和FLC的輸出，z[sub]e[/sub] 和z[sub]ec[/sub]分別是模糊切換規(guī)則的隸屬度函數(shù)，如圖3所示。a、b分別為誤差和誤差變化率的輸入范圍，通過(guò)改變a、b的值可以獲得不同強(qiáng)度的控制分量。當(dāng)輸入誤差為ei，輸入誤差的變化率為eci 時(shí)，它們所對(duì)應(yīng)的隸屬度分別為u[sub]e[/sub] 和u[sub]ec[/sub]在這里“and”運(yùn)算可以取乘積或取小，以取小為例，可得PID控制器與FLC的輸出強(qiáng)度系數(shù)分別為： 圖3 FSFC模糊切換規(guī)則的隸屬度函數(shù) 4．磁懸浮BLDG的Fuzzy—PID分級(jí)控制器的設(shè)計(jì) 4.1控制器具體參數(shù)設(shè)計(jì) 4.2模糊控制規(guī)則的建立 因?yàn)槿切坞`屬度函數(shù)的分辨率較高，所以本文中E，Ec，U的模糊子集均采用三角形隸屬度函數(shù)。其函數(shù)曲線如圖3所示（由于E, Ec，U的函數(shù)曲線相同，故只在同一副曲線圖中標(biāo)出）。 [align=center] E、Ec、U 圖3 E、Ec、U的模糊子集隸屬度函數(shù)曲線[/align] 本文根據(jù)模型設(shè)置負(fù)大NB、負(fù)中NM、負(fù)小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB七級(jí)。據(jù)此而建立控制規(guī)則表如下。 [align=center]表1 模糊控制規(guī)則表 [/align] 根據(jù)上述推理規(guī)則，采用最大隸屬度法解模糊就完成了模糊推理的全過(guò)程。 5．仿真與實(shí)驗(yàn) 針對(duì)上述的磁懸浮系統(tǒng)，利用MATLAB的FUZZY工具箱及SIMULINK仿真環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4。 [align=center] 圖4磁懸浮BLDG的Fuzzy—PID分級(jí)控制仿真結(jié)構(gòu)圖[/align] 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖5所示，與傳統(tǒng)的PID控制相比，系統(tǒng)的超調(diào)明顯降低，振蕩明顯減少，且具有微小的靜差，保證了較好的穩(wěn)態(tài)精度。 [align=center] 圖5 仿真結(jié)果比較[/align] 6. 結(jié) 論 將磁懸浮無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)應(yīng)用到小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，這是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的一大突破。對(duì)于其系統(tǒng)控制過(guò)程中難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，如果僅用PID控制很難保證其控制效果，而模糊控制的最大特點(diǎn)就是對(duì)被控對(duì)象不要求精確建模，因此將兩者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分級(jí)控制可以相互補(bǔ)充，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。仿真結(jié)果表明這種分級(jí)控制方式作用于磁懸浮風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)、振蕩明顯減少，同時(shí)具有較好的穩(wěn)態(tài)精度，獲得了比較好的控制效果。 參考文獻(xiàn) [1] 盧健康,范慧赟,方曉廳,高 揚(yáng). 磁懸浮無(wú)軸承電機(jī)的解耦控制[J].微電機(jī),2006,39（6）:15-18 LUJiankang,FANHuiyun,FANGXiaoting,GAOYang. the Decoupling of Magnetic Suspension Bearingless Motor[J].Micromotors, 2006,39（6）:15-18 [2] 周 媛,賀益康,年 珩. 永磁型無(wú)軸承電機(jī)的完整系統(tǒng)建模[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26（4）:134-139 ZHOUYuan, HE Yi-kang, NIAN Heng. 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Electric Power Systems Research .2007,1689–1698 [align=center]The Research on Fuzzy-PID Controller-FSFC for wind driven- maglev BLDC generator YANG Guo-liang LI Hui-guang （College of Electrical Engineering , Yanshan University , Qinhuangdao 066004 , China ）[/align] Abstract: Maglev brushless DC generator （BLDG） is adopted in the wind power generation systems（WPGS）, which has the advantages of high-speed, no-lubricating, no-wearing, no-mechanical noise, no-sealed, high-degree of accuracy and long life. It is difficult to apply general PID control to the maglev system with the nonlinear and hysteresis characteristics and is difficulty in establishing extract model. In order to solve the problem, this paper designed the Fuzzy Switched Fuzzy—PID Controller （FSFC） for maglev systems．The FSFC combines the excellences of Fuzzy Control and PID Control such as tiny overshoot，good stability，speediness and high precision．The switching based on the fuzzy makes the transition calm and stable．So it has the strong ability of tracking the provision value and anti-jamming. The simulation on the Maglev BLDG system in Matlab/ simulink, The result shows that FSFC which has a perfect control effect in the stiffness and the ability of resisting disturbance is of very strong robustness. Key words: wind power generation; maglev; BLDG; FSFC 作者簡(jiǎn)介： 楊國(guó)良 （1973-），男，吉林省公主嶺人，博士研究生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代控制理論在電力電子技術(shù)及分布式發(fā)電上的應(yīng)用。 李惠光（1947-），男，齊齊哈爾市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)椴蓸永碚摗C(jī)器人視覺(jué)、分布式發(fā)電及可再生能源等。