前端调速式风电机组偏航系统模糊控制研究

1、兰州交通大学毕业设计（论文）前端调速式风电机组偏航系统的模糊控制研究Study on the Fuzzy Control for Front EndSpeed Type of Wind Turbine Yaw System - I -摘 要随着全球经济、能源危机的加剧，人们开始探索新能源的开发和利用，以风能、太阳能和核能为代表的新能源便逐渐发展起来了。目前，由于风力发电技术比较成熟，风能作为一种清洁的可再生能源成为全球关注的焦点。本课题以风力发电机组的偏航控制系统为研究对象。研究了偏航控制系统的特点，并为偏航控制系统设计了基本控制结构。用交流异步电机作为偏航系统的驱动电机，在研究了坐标变换理论

2、的基础上介绍了转子磁场定向的矢量控制原理。采用SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation,电压空间矢量脉宽调制技术)，设计了位置环、速度环和电流环三闭环控制的偏航伺服系统的控制方案。交流异步电机具有非线性、强耦合、多变量的特点，采用模糊控制可以避免其非线性的影响，因此将模糊控制引入了偏航控制系统。位置环和电流环采用P和PI控制，速度环运用T-S模糊控制。在MATLAB/Simulink环境下搭建了相应的仿真模型，并进行仿真实验。结果表明所设计的偏航伺服三闭环控制系统能够快速、准确地跟踪风向的变化，具有较好的控制性能，从而确保偏航系统性能的快速稳定。关键词

3、：偏航控制系统；T-S模糊控制；三闭环；仿真AbstractWith the global economy and energy crisis intensified, people began to explore the development and utilization of new energy. The wind, solar and nuclear new power energy has gradually developed. At present, wind power technology is mature which as a kind of clean and r

4、enewable energy become the focus of global attention.This topic treat wind turbine yaw control system as the research object. Study of the characteristics of the yaw control system, and the basic structure of yaw control system is designed. Using ac asynchronous motor as the drive motor of yaw syste

5、m, on the basis of study the theory of coordinate transform is introduced the rotor field oriented vector control principle. Space vector pulse width modulation technology is adopted to design the position loop, speed loop and current loop which consist of the three closed loop control of yaw servo

6、system.The ac asynchronous motor has the characteristics of nonlinear, strong coupling, multivariable, so fuzzy control of the yaw control system is introduced. position loop, and speed loop use P and PI control, current loop use T-S fuzzy control. In-depth analysis of the principle and structure of

7、 the yaw system, Design the T-S fuzzy controller for the yaw system, under the environment of MATLAB/Simulink to build the corresponding simulation model, simulation experiment was carried on. The results show that the T-S fuzzy controller can quickly and accurately track the change of wind directio

8、n, which has good control performance, thus to ensure the performance of the yaw system is more stable and quickly.Key Words: The yaw control system, T-S fuzzy control, Three closed loop, The simulation目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1 课题的研究背景11.2 课题的研究意义11.3 国内外风力发电发展现状21.3.1 国外风力发电现状21.3.2 国内风力发电现状22 风电机组偏

9、航控制系统42.1 偏航系统的种类42.2 偏航系统的结构组成42.3 偏航控制系统的功能52.4 偏航控制的原理53 分析设计偏航系统三闭环伺服系统73.1 偏航三相交流异步电动机的数学模型73.2 SVPWM脉宽调制技术73.2.1 坐标变换83.2.2 矢量控制93.3 三闭环系统的整体设计93.4 电流环调节器设计103.4.1 调节器的设计103.4.2 调节器的设计123.5 位置环调节器设计123.6 速度环的T-S模糊控制器设计123.6.1 T-S型模糊推理系统133.6.2 T-S模糊控制器的设计144 偏航系统伺服控制系统的仿真结果与分析164.1 偏航电机的选取164.

10、2 仿真结构图174.3 仿真结果分析184.3.1 位置环位置跟踪仿的真结果184.3.2 电机曲线184.3.3 偏航速率184.3.4 电机的实际转速194.3.5 转矩曲线19结 论21致 谢22参考文献23- III -兰州交通大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题的研究背景风中蕴含了巨大的能量，这个能量就叫做风能。风能的产生是由于阳光对地面的照射，使地面温度升高，而没有被照射的地方地面温度低，由于温度的差异，空气出现流动，从而产生风。风电的产生是风通过吹动风轮转动使发电机旋转而产生的。风能，毫无疑问是可再生资源，它的开发过程不会污染环境，是环境友好型的资源。 跟其他能源的发电相比

11、，风能发电运用的最多，原因是风能的发电技术发展的比较完善。因此在当前社会发展大形势下，在经济上和技术上值得以商业化的规模来开发的新能源，当之无愧是风能发电。经济社会的不断发展，离不开能源这个重要的物质基础。在电力供应中，煤炭一直以来都作为支柱资源。占电力供应70%的煤电燃料煤炭，探明的剩余开采储量为1390亿吨 刘茂祥. 我国风电设备制造技术现状及发展建议J.水利水电快报,2006.6,第27卷第12期:18-19.。中国的石油资源不多。虽然我国拥有较多的水能资源，具有四亿千瓦左右的可开发量，但是几十年以后，大部分将会被开发利用完，所以这样下去，我国的电力短缺问题不能通过水能资源来解决。世界能

12、源的需求量，在日益的增长，想要让我国的电网保持稳定，应该将目前拥有的资源更好的利用。我国能源的支柱仍然是煤炭，如果要建立能源可持续发展的未来，必定要使煤炭的使用方式变的清洁化。预计再过5年左右，可再生能源发电在所有能源组成中将占到将近20%的比例，随之，风力发电在所有可再生能源的发电中所占的比例也将会有所提高。1.2 课题的研究意义风能在飞速地发展着，尤其是21世纪之后，此时，全世界的可再生资源都在快速发展着，而风能迅速的成为了主导能源，超过了石油和化土燃料，并且发展的脚步从来没有停歇，风电已然占据了主要位置，也为很多国家的电力市场发挥了非常重要的作用。国家的风力发电发展水平的高低，其中一个重

13、要的因素就是风电机组的生产与制造水平，因此将进口慢慢转变成为国产，这样就能够很大程度的减少对风电厂的资金投入，从而可以加快风力发电的发展。偏航控制系统作为风电机组的组成系统之一，发挥着不可或缺的重要作用，因为风具有很强的随意性和不稳定性，这就造成了偏航控制系统是一个随时间而变化的系统，即是非线性的。如果使用传统的方法来控制，不能得到预期的控制效果。而采用模糊控制的话，就会用到模糊数学的知识，以及模糊的语言值，而模糊规则就用专家的经验和知识来表示，从而进行控制，模糊控制能够避免非线性的因素造成的影响，并且控制性能具有很好的稳定性和鲁棒性。由于比较大型的风力发电机组通常都在比较恶劣、多变的环境下工

14、作，对偏航系统的稳定性要求比较高，因而本文的设计将模糊控制应用于偏航控制系统中。1.3 国内外风力发电发展现状1.3.1 国外风力发电现状在全球可再生能源的发电装机容量当中，风电资源占有绝对的优势，在目前使用的众多的可再生能源中，风能所占的比例很大，超过了50%，在多数可再生能源的应用技术中，风力发电的技术是最具指导性和完善性的。欧洲和亚洲，以及北美等地区都大部分依靠风力发电来维持电力的供应。风力发电在之后的20年里都将会是全球各地的主力供电源。欧美地区目前正在大力地开发海上的风电产业。欧洲不仅是世界海上风电产业的中心，而且是风电产业技术的指导先驱，它不但自己研发出了风力发电方面的关键技术，还

15、积极地向世界其他发展风电产业的地区传播自己的技术。由此来看，今后欧洲的海上风电产业将会更快速的发展，其他的国家一些国家也模仿别的国家的方法来发展自己的海上风力发电的产业，比如美国就是这样的。多年前促进世界风电的发展的是欧洲的一些国家，比如德国、西班牙、丹麦等，然而近几年，推动世界风电事业持续不断向前发展的是中国、美国、加拿大等国家。2010年丹麦为电力供应提供的贡献最大，达到19.3%（2009年时丹麦已经达19.3%），其次是西班牙16.4%、德国6%、美国2%，2010年西班牙的可再生能源发电量已经占了总电力供应量的35%，其中风电所占比例最大，2011年3月风力发电发展到5%通过风电供应

16、，到2020年全球风电供应量将占到电力供应总量的12% 罗承先.世界风力发电现状与前景预测J.中外能源,2012.3,第17卷第3期:24-26.。风能发电更容易在经济发展快速、能源需求增加明显的市场变得活跃，实现持续不断地增长，早在2013年，巴西就得到了450多千瓦的风力发电的项目。从整体上来看，大部分的非经合组织的国家，例如南非、摩洛哥，肯尼亚等国家，风力发电的发展状况相对稳定。1.3.2 国内风力发电现状我国的风力发电行业起步的比较晚，然而由于国家在这方面的一些政策和投资的鼎力支持，使得我国风力发电实现了飞速的进步。我国在30多年前从外国购进了几台风力发电机组。从那以后，我国的并网型风

17、力发电就一步一步的发展起来了，通过大量反复的试验，风电技术也慢慢的完善了。我国的风电厂的发展是从内蒙古引进了数台外国的风力发电机组开始的，这些机组来自美国，都是100kW的，这些也一样为全国的风电厂提供了很大的帮助。在国家推出的一些风电方面政策下，我国风力机的运用范围扩大了，装机容量也有了很大的提升。四年前，我国装机容量就是世界上最多的，总共是62GW。目前我国的风电厂配置的国产机组，一些是自己设计生产的，存在的缺陷主要是生产技术方面不完善和产品质量上的缺陷，有待进一步改善；还有一些是购进国外的这方面的技术，或者与国外的一些厂家合资，其中一部分用自己生产的代替。获得全部的生产技术经过付给技术转

18、让费或者与国外的一些公司合资进行生产等方式 。在已经过去的两年里，能源的问题对人们的生活工作产生了巨大的影响。雾霾带来的侵害使人们的注意力一下子转移到清洁能源上了。我国把2前年的目标设定为将近2000万kW，而实际上做到了1500万kW左右。而且中国为新时期制定了新的发展目标，那就是再过6年，风电机的装机容量要达到两亿kW左右。2 风电机组偏航控制系统偏航控制系统是位置伺服系统，是风电机组所特有的，对于水平轴式的风电机组来说，是不能缺少的重要组成部分之一。偏航控制系统框图如图2.1所示。图2.1 偏航控制系统2.1 偏航系统的种类偏航控制系统通常有主动或者被动偏航两种。主动偏航系统指的是采用电

19、力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式，被动偏航系统指的是依靠风力通过相关机构完成机组对风动作的偏航方式，常见的有尾舵调向，侧风轮调向，风向跟踪装置调向这三种 姚兴佳,宋俊.风力发电机组的原理与应用(第二版)M.北京:机械工业出版社,2011:1-139。2.2 偏航系统的结构组成就水平轴式的风力发电机来说，其偏航控制系统一般都设置在在风力机塔架的顶部、机舱的底端，主要包含的组成部分有：轴承部分、驱动装置部分、制动器部分、用来计数的部分、解缆的保护部分、风速传感器和风向传感器部分等。通常情况下，偏航驱动电机和偏航减速装置构成了偏航控制系统的驱动装置。在机舱上设有驱

20、动装置，可以用来驱动小齿轮转动，从而使机舱转动，在塔筒的顶端一般设有大齿轮。偏航控制系统使用的驱动器大多数都是交流异步电动机，使用减速器，就可以得到需要的转矩以及转速，大型风力机大多都使用多级的减速器。风力发电机的偏航轴承部分，一般是由偏航减速箱来带动电机共同组成的。通过使用螺栓将偏航轴承的内圈与机舱固定在一起。另外，轴承外圈、偏航刹车片和塔筒顶部的法兰也是使用螺栓固定在一起的，轴承外圈存在外齿，偏航电机通过齿轮跟外齿啮合从而带动机舱转动。轴承部分通常都设置在塔顶部位，可以确保机舱正常的水平360度旋转，是用来起支撑作用的。制动器部分通常包含有制动盘，液压制动钳，制动衬垫和液压站等。因为回转轴

21、承的摩擦是滚动摩擦，而且滚动摩擦的摩擦阻力比较小，所以被偏航系统所采用，还可以避免偏航完成时与风向发生偏离。风速传感器主要是是用来检测风速信号的，主要用来测量风速。风杯风速计是目前用来测量风速中使用最多的，风向传感器主要是采集偏航系统的风向信号。由于风向传感器可以随风力发电机组同步旋转，在风的动压作用下，可以测量出来风方向和机舱之间的角，以此来确定偏航对风方向和角度。解缆传感器是风力发电机组必要的组成部分，用来传递电缆的缠绕情况。2.3 偏航控制系统的功能首先是与其他控制系统共同作用，使风电机组的风轮面始终处于与风向垂直的位置，从而更充分的获得到风能，进而使发电效率得到提高。其次是当偏航电机向

22、一个方向偏转的总圈数多于两圈的时候，如果风的速度较小，而且输出的功率为零，则实行停机使电机向相反方向转动进行解缆，但是如果输出的功率不为零，就不能进行解缆操作，如果偏转的总圈数达到三圈，此时就必须使系统停机，进行解缆操作。 最后是当风力机的自动偏航出现故障，进行维修或者电缆缠绕过多，需要工作人员来解缆的时候，偏航操作是由人来完成的，即人工偏航。2.4 偏航控制的原理参照空气动力学方面的知识，风力机获得风能将会输出功率P，功率P可以用下面的式2.1得到： (2.1)其中，桨叶吸收的功率为P；空气密度是；扫过风轮的面积是D；风力发电机的功率因数为；风速是。偏航角度，偏航控制系统风力机所获得的风能，

23、是风轮旋转面垂直风的方向时的倍。若要增大发电机的输出功率P，就必须要使偏航角度最小，当偏航角度为0°时，此时发电机输出的功率最大。偏航角度根据式2.2得到： (2.2)其中，表示风向的角度，表示叶轮的角度。在偏航过程中，风力机转过偏航角度的路径如果一直保持最短，就可使发电效率有很大的进步。想要使偏航电机转过最短距离。就需要弄清偏航角与风向角度和风力机叶轮角度（也就是机舱角度）之间的相对关系 叶杭冶.风力发电机组的控制技术(第二版)M.北京:机械工业出版社,2006:83-189.。就拿水平轴式的风力机来说，风的方向和风力机叶轮旋转面的法线方向之间的角度，存在有两种可能情况：若风向的角

24、度减去风力机叶轮旋转面的法线方向的角度比小时，则需要偏航的角度是，而风向角度，通常都定义为与叶轮旋转面的法线方向形成的角度，所以使0，需要执行的偏航角度如式2.3所示。 (2.3)如图2.2所示（图中比较粗的实线代表叶轮旋转面，虚线代表风力机通过偏航需要达到的位置），此时电机需要正向转动，即偏航系统需要完成顺时针方向的偏航操作。图2.2 机舱做顺时针方向的转动若风向的角度减去风力机叶轮旋转面的法线方向的角度比大时，需要执行的偏航的角度如式2.4所示。  (2.4)如图2.3所示，此时电机需要反向转动，即偏航系统要完成逆时针方向的偏航操作。图2.3 机舱做逆时针方向的转动3 设计偏航系

25、统三闭环伺服系统3.1 偏航三相交流异步电动机的数学模型异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在设计偏航系统的三闭环伺服系统时，采用的是常用的鼠笼式交流异步电动机，三相异步电机多变量、非线性的动态数学模型如式3.1所示 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统(第4版)M.北京:机械工业出版社,2010:115-202.： (3.1)其中，L为6×6的电感矩阵；为电机负载转矩；为电磁感应电动势中的脉动电动势；为电磁感应电动势中与转子转速成正比的旋转电动势；为转子角位移；为转子转速；为极对数。3.2 SVPWM脉宽调制技术偏航控制三闭环伺服控制系统中的SVPWM(Spac

26、e Vector Pulse Width Modulation,电压空间矢量脉宽调制)模块截图如图3.1所示。图3.1 SVPWM模块截图三相异步电动机之所以要通过三相电流，是为了产生一个圆形的旋转磁场，使电磁转矩保持为一个恒定值。因此，将逆变器和异步电机当成一个整体，使用所产生的圆形的旋转磁场，来控制PWM (Pulse Width Modulation,脉宽调制)开关信号。SVPWM技术有很多的优势，因此被大量使用，例如电流的谐波含量较少、转矩的波动较小、没有噪声。另外，与SVPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation,正弦脉宽调制)技术相比之下，SVPWM

27、的电压的利用率更高，而且更方便于进行数字化。3.2.1 坐标变换Clarke变换就是三相静止到两相静止的坐标变换，、表示三相对称绕组的电流，、表示两相对称绕组的电流，可以用式3.2来表达它们的变换关系： (3.2)Park变换就是两相静止到两相旋转的坐标变换，它所表示的是两相静止与两相旋转绕组的相互关系，可以用式3.3来表达它们的关系： (3.3)其中，表示的是-坐标下的轴和d-q坐标下的d轴形成的角度。偏航系统三闭环仿真模型中坐标变换模块截图如图3.2所示。图3.2 3/2变换模块截图交流电动机的三相对称绕组中，如果给其通过三相对称的电流，就会产生旋转的磁动势，在保持功率和磁动势不变的情况下

28、，可以使用两相对称的绕组来等效替代这个空间旋转磁场。由于电机的数学模型非常复杂。所以，经常使用一些等效变换来使被控对象变的更容易分析和控制，更易反映电机的特性。使用两相表示变量间的关系，来得到异步电机简单模型，进而仿照直流电机的一些特性。3.2.2 矢量控制矢量控制就是为了获得等效的直流电机的模型，根据直流电动机所使用的控制方法，从而来控制异步电动机。所涉及的原理就是，首先对异步电机的定子电流进行检测，然后进行坐标变换，把定子电流分解在同步坐标下的两个分量，即为定子电流的转矩分量和定子电流的励磁分量，最后对磁通和转矩实行解耦控制，这样就从异步电动机中简化出了直流电机，这个直流电机与异步电机是可

29、以等效替换的，就可以依据直流电机具备的特性，对异步电机实施控制。3.3 三闭环系统的整体设计偏航控制系统的主要控系统根据风向计算得到偏航角度，偏航角度传递给偏航控制系统，偏航控制系统按照给定的偏航角度，实时跟踪。本课题所设计的偏航控制系统就是能够跟踪偏航角度的系统，它是位置伺服三闭环系统。偏航系统三闭环控制结构如图3.3所示。图3.3 偏航系统三闭环控制结构图系统使用的是基于转子磁场定向的矢量控制，使用转子磁链观测器，来得到转子磁链的位置角。检测到的定子电流，经过三相坐标系到转子磁场定向到两相同步旋转坐标系的变换，分别得到电机定子电流的转矩分量和励磁分量，再通过各自的控制器输出，并通过两相同步

30、旋转坐标系变换到两相静止坐标系，最后利用SVPWM来控制脉宽 杨耕,罗应立.电机与运动控制系统M.北京:清华大学出版社,2006:282-3097 董海鹰.智能控制理论及应用M.北京:中国铁道出版社,2006:59-82.8 罗承先.世界海上风力发电现状与英国的成功经验J.当代石油石化,2014,第238期:40-44.9 李发海,王岩.电机与拖动基础M.北京:清华大学出版社,2012:1-10510 席爱民.模糊控制技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2008:86-119.11 石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真M.北京:清华大学出版社,2008:89-20812 谢庆国,万淑

31、芸,赵金. 一种TS模糊控制器的设计方法J.电气传动,2003,第2期:25-27。并驱动逆变器进行工作。 交流电机的定子电流采样值经过Clark变换和Park变换，从而得出两相旋转坐标系下电流的转矩分量和电流的励磁分量，并使用转子磁链观测器，得到转子磁链位置角，这三个量用于系统前向通道的控制。处于最外环的位置环饱和后，通过系统的给定速度，再通过速度控制器分别得到电流的转矩分量的参考值和电流的励磁分量的参考值，两者经过各自的电流调节器ACR得到各自电压的参考值和，再经过Park逆变换得到和，从而可以建立空间矢量调制算法来对逆变器进行控制。为了实现系统的三闭环控制，电流环需要有较好的跟踪特性，因

32、此使用PI控制，并且将其最终设计为典型I型的系统；位置环使用传统的P控制，达到偏航角位置快速、无超调的控制特性；电流环和位置环都可以用传统的PI、P控制，就能得到满意的效果，但是如果速度环采用PID控制，超调较大，所以速度环要设计更好的控制器，快速无超调的跟踪转速，因此速度环使用T-S模糊控制器，抑制偏航速度的波动，同时改善了偏航系统抗负载扰动的性能。3.4 电流环调节器设计设计电流环的调节器时，首先要考虑的是把电流环最后校正成什么样的系统，就系统要求的稳态性能来说，电流不能存在静差，再就系统要求的动态性能来说，在控制作用有较大的波动时，电流不能有太大的超调量，这样就可以使电流在控制过程中保持

33、较稳定，不会超过允许值，而其他的影响因素都是次要的。所以，为电流环设计的控制效果最重要的是跟随性能，故最后为电流环选择的应该是典型I型的系统。3.4.1 调节器的设计转子磁通环的开环传递函数如式3.4所示。(3.4)若令 (3.5)(3.6)式3.4可表示为式3.7所示。(3.7)这里，为了使电流环成为典型I型的系统，所以使用的调节器应该选为PI型的。其传递函数为。由式3.5和式3.6可知，A>0，B>0，并且A<B，可得1/A>1/B，为了消去控制对象中的较大的时间常数，所以取=1/A，得到如式3.8所示。(3.8)得到磁链环电流调节器的结构框图如图3.4所示。图3.

34、4 调节器结构框图经过上述的改造之后，电流环的开环传递函数如式3.9所示。=(3.9)此时的转子磁通环，就是典型I型的系统了。经分析，要达到二阶最优，需要满足=0.707，也就是。整理得到式3.10和式3.11。 (3.10) (3.11)将电机的相关参数带入上式中，计算得到磁链环的调节器的参数为，。控制系统时，上面式子得出的参数通常不是我们需要的最后的值。这些值可能只是告诉我们一个调节的方向，我们还有再对和做一些调整。在这个调节的过程中，通常使一个不变而改变另一个的值，达到要求的控制效果，再用同样的方法得出另一个值，反复进行实现使转子磁通的性能达到我们需要的效果。3.4.2 调节器的设计由电

35、流环的开环传递函数如式3.12所示。 (3.12)同理，在转矩环也使用PI型的电流调节器， 这样得到的开环传递函数如式3.13所示。 (3.13)此时，使转矩环就是典型I型的系统了。此外，为了使系统具有二阶“最优”的性能，需要使，这样就得到式3.14和式3.15。 (3.14) (3.15)将电机的相关参数带入上式中，计算得到转矩环的调节器的参数为，。与之前相同，此时得出的和不是我们的最终值，还需要不断地运行调试，才能够得出对控制系统最好的值。3.5位置环调节器设计位置环使用传统的P控制器，使得偏航角的位置能够较快，无超调的跟踪给定的期望值。为位置环设计了P控制器，运用到偏航三闭环控制系统中，

36、在反复的调试运行之后，得到了控制系统控制效果最佳的控制器参数，为。在系统调试中位置通过位置调节器在很短时间内得到饱和，则饱和限幅值就为给定速度，因此，偏航电机可以恒定的速度转动。3.6速度环的T-S模糊控制器设计T-S型的推理系统结论部分是精确的值，或者是关于前提部分输入的线性函数，可以直接来控制被控对象，略去了精确化的步骤，更方便进行数学分析。T-S型的推理系统的结构如图3.5所示。图3.5 T-S型模糊逻辑系统3.6.1 T-S型模糊推理系统T-S型模糊推理系统表示为：if is and is ，then u =上述的表达中和表示的是模糊集合，函数用来表示输出。函数是输入量和的线性函数，这

37、样的推理过程就是T-S型的模糊推理过程。函数通常使用的形式有零阶和一阶推理系统两种。零阶T-S型的模糊推理中的结论函数为常值型的，本文要设计采用一阶的T-S型模糊推理，表示为：if is and is ，then =上面的表述中、代表了模糊集合，结论部分的中的系数，和都是系数，将控制系统的大部分的实际测得的数据，进行参数辨识就可以得到这些系数确切的值。一个控制系统一般需要多个控制规则来表示，如果确定的一组输入是，这个输入一般都是与多个模糊集合有关。假设一组确定的输入数据为，跟m条模糊控制规则有关，这时就会有m条控制规则产生。规定这时该系统的T-S型的模糊推理形式如下。设第i条规则为，可写成：i

38、f is and is ，then 和是模糊集合，第i条规则中的常数，和都是输出线性函数的系数。这些系数反映出了系统所具有特性。模糊控制系统的最后输出U，是由所有的控制规则所对应的输出共同组成的。得出控制系统的输出U的方式由以下两种计算方法：(1) 加权求和法（简称Wtsum）：代表第i条模糊控制规则所对应的输出，在总输出中的权重用表示，控制器的输出如式3.16所示。 (3.16)(2) 加权平均法（简称Wtaver）：如式3.17所示。式中和的所代表的与1）中相同。 (3.17)其中表示第i条模糊规则所占的权重值，得出的方式有：(1) 取小法： (2) 乘积法：其中代表了第i条模糊规则中，输

39、入的变量从属于模糊集合的程度。3.6.2 T-S模糊控制器的设计 (1) 确定输入输出量通常将偏航系统给定的转速与实际测得的转速的偏差e、其偏差的变化率ec，作为模糊控制器的输入变量；将作为模糊控制器的输出变量，因此这就是一个双入单出的控制器，将此模糊控制器用于速度环的控制。 (2) 输入量模糊化控制器的输入模糊语言变量，假设偏航系统转速的偏差E的语言值为(NB，NS，ZE，PS，PB)，其分别表示（负大，负小，零，正小，正大），偏航系统转速偏差E的基本论域为(-50，50)，若把论域分成7个等级，E=(-3，-2，-1，0，1，2，3)，则偏航系统转速偏差E的量化因子为：控制器的输入模糊语言

40、变量，假设偏航系统转速偏差的变化率EC的语言值为(N，Z，P)，其分别表示（负，零，正），偏航系统转速偏差的变化率EC的基本论域为(-10，10)，若把论域分成3个等级，EC =(-3，0，3)，则偏航系统转速偏差的变化率EC的量化因子为： (3) 模糊控制规则根据模糊控制的经验，可以得出转速的偏差和转速的偏差变化率来抵消系统偏差的模糊控制规则。它的设计原则是：当偏差很大是，控制的作用应该主要是来消除偏差；如果偏差较小，那么除了抵消偏差以外，还需要考虑的是偏航系统的稳定性，这样就可以消除一些不必要的超调量和振荡。 (4) 模糊控制的仿真将T-S模糊控制器加入偏航三闭环系统的仿真截图如图3.6所

41、示。图3.6 模糊控制仿真截图4 偏航系统伺服控制系统的仿真结果与分析4.1偏航电机的选取本文的研究对象是2MW风电机组的偏航系统，故以2MW风电机组的参数模型来仿真，偏航执行电机为三相交流异步电机，它的参数特性如表2.2.1所示。表4.1 风电机组参数表性能技术参数性能技术参数发电机功率(MW)2叶轮质量(t)3.75桨叶数目(个)3额定风速(m/s)12.5叶轮半径(m)30切入风速(m/s)4机舱中心高度(m)60切出风速(m/s)25额定功率(kW)4转动惯量()0.0131额定电压(V)400极对数2额定转速(r/min)1430减速机速比110额定频率(Hz)50内齿圈啮合比139

42、/15定子电阻()1.405正常变桨速度(°/s)7.5转子电阻()1.395紧急变桨速度(°/s)12定子漏感()0.005839互感(H)0.1722转子漏感()0.005839偏航驱动电机采用simulink自带三相异步电动机模型，其参数的设置截图如图4.1所示。图4.1 偏航电机的参数设置截图4.2偏航控制系统仿真结构图偏航系统的三闭环控制仿真截图如图4.2所示。由外到内分别是位置环、速度环和电流环。图4.2 三闭环系统仿真截图其中，位置环的控制器使用P控制器，控制器截图如图4.3所示。电流环的控制器使用PI控制，控制器截图如图4.4所示。图4.3 位置控制器截图图

43、4.4 电流控制器截图4.3 仿真结果分析4.3.1 位置环位置跟踪仿的真结果偏航角度跟踪的仿真截图如图4.5所示。由位置环的跟踪结果可知：位置环采用P控制，就可以使实际得位置角快速、准确地跟踪给定位置角，并且超调量很小，具有很好的跟踪控制效果，满足了偏航控制系统对位置控制的要求。图4.5 偏航角度控制的仿真截图4.3.2 偏航速率偏航速率即偏航执行电机转动的速率。仿真结果中偏航速率的截图如图4.7所示。图4.7 偏航速率仿真截图4.3.3 电机曲线偏航执行电机的曲线仿真截图如图4.6所示。图中从上到下依次表示电机电流的输出曲线、电机的转矩输出曲线和电机的转速输出曲线。图4.6 偏航电机曲线截

44、图4.3.4 电机的实际转速电机的实际转速仿真曲线的截图如图4.8所示。通过与图4.7（偏航速率截图）相比较可知，速度环具有良好的跟踪性能，可以使实际的转速，快速而且准确地跟踪给定的转速，达到了偏航控制系统所要求的控制效果，即偏航速率满足了控制要求。图4.8 电机实际转速仿真截图4.3.5 转矩曲线电机的转矩仿真曲线截图如图3.7所示。图中依次表示的是给定转矩的曲线、电机的实际转矩，由仿真截图可知：实际转矩很好地跟踪了给定转矩，电流环距有很好的跟踪控制性能，满足了偏航控制系统电流环的控制要求。图4.9 转矩曲线仿真截图结 论本课题首先将风力发电在国内和国外的发展状况进行了介绍，另外介绍了风电机组控制系统的组成以及它总体的结构，然后以兆瓦级的风力发电机组的偏航控制系统作为要研究的对象，深入分析设计了它的控制方法和结构组成。在当今能源紧缺的环境下，传统的能源利用方式已经不能满足人们的日常需求，然而风电技术的应用为人们带来了希望。