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案例頻道0、引言
能源危機的出現(xiàn)和環(huán)境保護意識的增強，使人們對新型的無污染的能源有了更加強烈的要求，而風(fēng)力發(fā)電就是在這個大的趨勢下逐漸進入人們的視野。從定漿距到變漿距、雙饋調(diào)速控制方式的引入，無一不是為了提高風(fēng)能的利用率。人們對風(fēng)機進行有效控制時，不論是利用經(jīng)典控制方法還是利用現(xiàn)代控制方法，由于它們均須進行模型的建立，而風(fēng)速和風(fēng)向的隨機性、空氣動力學(xué)的不確定性，使風(fēng)機機艙模型的建立有一定的困難，而機艙的自適應(yīng)追隨風(fēng)力和風(fēng)向是增大風(fēng)電機的效率和功率的前提，在這中前題下智能控制正好避開數(shù)學(xué)模型的建立，對于多變量非線性的風(fēng)機的控制有很好的效果。
1、 風(fēng)力發(fā)電機機艙的旋轉(zhuǎn)工作原理
現(xiàn)在使用的風(fēng)力發(fā)電機由于控制方式的不同，如雙饋調(diào)速控制、失速控制等，在進行風(fēng)能的撲捉時，其調(diào)整機艙的機構(gòu)有著區(qū)別，但是其原理是一樣的，大家都通過風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)把得到的信息從機艙頂部傳到風(fēng)機底部的CPU板上，通過模數(shù)量的轉(zhuǎn)化，把數(shù)字量輸入到中央處理單元，讓中央處理單元分析和處理是否進行調(diào)整偏航馬達的運行，利用動力機構(gòu)（最常用的液壓機構(gòu)）調(diào)整發(fā)電機機艙的姿態(tài)，使風(fēng)輪葉片始終朝著迎風(fēng)的方向，以保證風(fēng)力發(fā)電機在運行時能夠充分利用已有的風(fēng)力資源；或者當(dāng)風(fēng)速超過額定的最大風(fēng)速時，進行偏航剎車馬達的運行、或者直接進行90°偏航，以保證風(fēng)力發(fā)電機能夠正常安全的運行；而當(dāng)風(fēng)速太小時，為了防止風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電，不如他的轉(zhuǎn)子勵磁從電網(wǎng)上吸收的電能，也要進行脫離電網(wǎng)的處理，已節(jié)約電網(wǎng)上的電力資源。這種方法需要把風(fēng)力資源的信息風(fēng)向和風(fēng)速反饋到風(fēng)力發(fā)電機的底部信息處理主板上，增加了發(fā)電機中央處理單元的負荷，延緩了機艙的旋轉(zhuǎn)時間，出于上述的考慮，我們設(shè)計了基于模糊控制的智能風(fēng)力發(fā)電機機艙的設(shè)計，讓機艙的風(fēng)能撲捉的機構(gòu)直接成為風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的智能終端，減小系統(tǒng)中央處理單元的負荷。
2、 智能機艙硬件系統(tǒng)的設(shè)計
智能機艙硬件原理圖如下圖1所示：
由上可知以往的風(fēng)力發(fā)電機是把所采集到的風(fēng)能的信息交給地面控制臺，而本設(shè)計使機艙有一定的主動性。其原理是當(dāng)風(fēng)速傳感器和風(fēng)向儀采集到風(fēng)力資源的信息，放大并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換該信息后，進入到單片機利用模糊控制算法進行智能處理，把得到的結(jié)果通過后向通道，驅(qū)動液壓電機，是機艙旋轉(zhuǎn)至迎風(fēng)的方向。如果風(fēng)速和風(fēng)向稍有變動，則風(fēng)速傳感器和風(fēng)向標(biāo)重新進行采集信息，使風(fēng)力發(fā)電機實時的得到控制，充分利用風(fēng)能。當(dāng)然如果要進行人為的操作，如檢修、維護風(fēng)力發(fā)電機時，可通過中央控制室的人機交互平臺發(fā)送停機信號之機艙。如果風(fēng)速小于或者大于額定風(fēng)速時，單片機發(fā)送偏離迎風(fēng)方向的命令，以防止風(fēng)力發(fā)電機在大風(fēng)時的破毀和對電網(wǎng)的沖擊。
系統(tǒng)主機采用單片機模糊控制器
系統(tǒng)的輸出可分為兩部分：第一部分由
在與風(fēng)力發(fā)電機底部和中央控制式的通信時，因為
3、 智能機艙系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)
由于空氣動力學(xué)的隨機、不確定性，很建立一個確定的關(guān)于風(fēng)力和風(fēng)向的數(shù)學(xué)關(guān)系式，為了達到最佳的控制效果，我們采用了模糊控制算法。其系統(tǒng)控制原理圖如下：
當(dāng)風(fēng)速或風(fēng)向低于（或高于）或偏離設(shè)定值
X=[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4 ]
Y=[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4 ]
其中風(fēng)速偏差e的論域為X，風(fēng)向偏差變化q的論域為Y。這兩個語言變量模糊化后分別用E和Q表示，控制器的輸出為u，模糊后用U表示。將e和q的在[-4，4]之間分為5當(dāng)：{NB（負大），NS（負小），ZE（零），PS（正小），（PB正大）}，U的論域也為[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4]。
由于該系統(tǒng)的輸入是兩個變量的，故模糊算法的控制語言采用如下：
IF E AND Q THEN U
其中E代表風(fēng)速，Q代表風(fēng)向，可得到控制表(略)。
如果檢測到的信息不是上述的定點，取三角形函數(shù)為隸屬度函數(shù)、利用單值隸屬度法進行數(shù)值的模糊化。在數(shù)值的反模糊化時，利用重心算法得出控制量進行機艙的旋轉(zhuǎn)，以最大程度的撲捉風(fēng)力資源。
對上述模糊語句進行MATLAB仿真得到信號響應(yīng)曲線如下：
圖
由上面的系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖可知，雖然本設(shè)計有著超調(diào)量，但其比例不是很大，且能夠在較短的時間里使系統(tǒng)達到較穩(wěn)定的輸出。由于機艙在高空中旋轉(zhuǎn)，如果響應(yīng)太快的話對機艙本身來說也不是一件太好的事，那樣會使機艙本身不穩(wěn)定的，因此在系統(tǒng)控制機艙旋轉(zhuǎn)時，這個反應(yīng)時間因該說是較快的控制反應(yīng)時間，所以從上面的分析來看，本設(shè)計有著較好的總體性能。
4、 結(jié)論與展望
該系統(tǒng)得中央處理單片機通過調(diào)整系數(shù)并結(jié)合控制表，不僅僅減輕了風(fēng)機底座中央處理單元的的負荷，而且對風(fēng)力發(fā)電機的機艙做了實時的控制，以保證風(fēng)力發(fā)電機充分的利用風(fēng)力資源，這對能源的危機已一定的改善作用。
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