CN106953566A - 一种基于模糊pid控制器的频率匹配的方法与装置 - Google Patents

一种基于模糊pid控制器的频率匹配的方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法与装置，通过计算波浪发电***的参考电流信号；依据该参考电流信号以及波浪发电***产生的实际电流信号，计算对应的电流偏差信号和电流偏差率，并将其输入到模糊PID控制器中，经过模糊PID控制器的处理，得到对应的旋转电压信号；并将该旋转电压信号经过坐标变换，以及SVPWM发生器的处理，得到驱动机侧变换器工作的目标电压信号；将该目标电压信号施加到波浪发电***的电机上，便可以改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，从而实现频率的匹配。将模糊PID控制器应用于波浪发电***，可以有效的降低波浪发电***在最大功率点附近的振荡，从而提升波浪能发电***获取最大输出功率的稳定性。

Description

一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法与装置
技术领域
本发明涉及波浪能发电技术领域，特别是涉及一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法与装置。
背景技术
随着世界各国对能源需求的不断增长和环境保护的日益加强，清洁能源的推广应用已成必然趋势。风能、太阳能等可再生清洁能源受天气变化的影响，存在较大的随机性缺点，波浪能因单位小时内变化幅度小，能量密度高可预测性好的优点备受青睐，如何最大限度地捕获波浪能成为波浪能发电的研究重点。
波浪能发电***具有自身的自然频率，当波浪能频率与波浪能发电***的频率相匹配时两者发生共振，此时波浪能发电***可以从波浪中吸收最大能量，也就是说此时波浪能发电***可以获得最大输出功率。然而波浪能是一种极其不稳定的能源，波浪能密度随海风大小波动很大，因此，需要波浪能发电***能够迎合波浪能大小的变化，才能实现自身的频率与波浪能的实时频率匹配，从而实现最大波能的捕获，即获得最大输出功率。
传统方式中，将模糊控制运用到最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)控制中，可以使得波浪能发电***可以对外界的变化做出快速响应，也即迎合波浪能大小的变化。但是模糊控制没有积分环节，消除***静态误差的能力欠佳，在最大功率点附近的振荡比较强烈，稳定性较差，不利于波浪能发电***获取最大输出功率。
可见，如何提升波浪能发电***获取最大输出功率的稳定性，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法与装置，可以提升波浪能发电***获取最大输出功率的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法，包括：
计算波浪发电***的参考电流信号；
依据所述参考电流信号以及所述波浪发电***产生的实际电流信号，计算对应的电流偏差信号和电流偏差率；
利用模糊PID控制器，对所述电流偏差信号和所述电流偏差率进行处理，得到旋转电压信号；
将所述旋转电压信号进行坐标变换，得到静止电压信号；
利用SVPWM发生器，对所述静止电压信号进行处理，产生驱动机侧变换器工作的目标电压信号；
根据所述目标电压信号，改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，实现频率的匹配。
可选的，所述计算波浪发电***的参考电流信号包括：
根据谐振电路原理，确定出波浪发电***获取最大输出功率的目标条件；
依据于预先建立的PMLG数学模型，获取到所述波浪发电***中电机的反电磁力方程，并结合所述目标条件，计算出所述波浪发电***的参考电流信号。
可选的，所述利用模糊PID控制器，对所述电流偏差信号和所述电流偏差率进行处理，得到旋转电压信号包括：
根据所述电流偏差信号和所述电流偏差率，通过模糊控制器从预先建立的模糊规则中选取对应的模糊规则；并依据所述模糊规则，得出对应的参数调整值；
根据所述参数调整值，通过PID控制器对预先设置的初始参数值进行调整，并按照调整后的参数值，计算出与所述电流偏差信号对应的旋转电压信号。
本发明实施例还提供了一种基于模糊PID控制器的频率匹配的装置，包括计算单元、处理单元、坐标变换单元和改变单元：
所述计算单元，用于计算波浪发电***的参考电流信号；
所述计算单元还用于依据所述参考电流信号以及所述波浪发电***产生的实际电流信号，计算对应的电流偏差信号和电流偏差率；
所述处理单元，用于利用模糊PID控制器，对所述电流偏差信号和所述电流偏差率进行处理，得到旋转电压信号；
所述坐标变换单元，用于将所述旋转电压信号进行坐标变换，得到静止电压信号；
所述处理单元还用于利用SVPWM发生器，对所述静止电压信号进行处理，产生驱动机侧变换器工作的目标电压信号；
所述改变单元，用于根据所述目标电压信号，改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，实现频率的匹配。
可选的，所述计算单元包括确定子单元和获取子单元：
所述确定子单元，用于根据谐振电路原理，确定出波浪发电***获取最大输出功率的目标条件；
所述获取子单元，用于依据于预先建立的PMLG数学模型，获取到所述波浪发电***中电机的反电磁力方程，并结合所述目标条件，计算出所述波浪发电***的参考电流信号。
可选的，所述处理单元包括选取子单元和调整子单元：
所述选取子单元，用于根据所述电流偏差信号和所述电流偏差率，通过模糊控制器从预先建立的模糊规则中选取对应的模糊规则；并依据所述模糊规则，得出对应的参数调整值；
所述调整子单元，用于根据所述参数调整值，通过PID控制器对预先设置的初始参数值进行调整，并按照调整后的参数值，计算出与所述电流偏差信号对应的旋转电压信号。
由上述技术方案可以看出，通过计算波浪发电***的参考电流信号；依据该参考电流信号以及所述波浪发电***产生的实际电流信号，可以计算对应的电流偏差信号和电流偏差率；将该电流偏差信号和电流偏差率输入到模糊PID控制器中，经过模糊PID控制器的处理，可以得到对应的旋转电压信号；并将该旋转电压信号经过坐标变换，以及SVPWM发生器的处理，可以得到驱动机侧变换器工作的目标电压信号；将该目标电压信号施加到波浪发电***的电机上，便可以改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，从而实现频率的匹配。将模糊PID控制器应用于波浪发电***，可以有效的降低波浪发电***在最大功率点附近的振荡，从而提升波浪能发电***获取最大输出功率的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种将模糊PID控制器应用于波浪发电***的模型的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种基于模糊PID控制器的频率匹配的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
传统方式，在将模糊控制应用于波浪能发电***中，进行最大功率的捕获时，由于模糊控制没有积分环节，无法消除***静态误差，导致在最大功率点附件的振荡比较强烈，导致波浪能发电***获取最大功率的稳定性较差。
考虑到比例-积分-微分控制器(Proportion Integration Differentiation，PID)中积分调节参数Ki可以消除***静态误差和稳态误差，提高***控制精度；比例调节参数Kp可以迅速地响应偏差，输出响应快，提高***稳定性；微分调节参数Kd可以反映***偏差信号的变化率，还可以预测下一时刻的输出，从而对其进行超前控制，消除将要形成的偏差，进而减小超调、缩短调节时间，改善***动态性能。因此，将模糊控制器和PID控制器结合起来的模糊PID控制器，能够发挥各自的优势，取长补短，达到更好的控制效果。而现有技术中，并没有将模糊PID控制器应用于波浪能发电***的方案。
因此，本发明实施例提供了一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法与装置，将模糊PID控制器应用于波浪能发电***中，将计算出的电流偏差信号和电流偏差率作为模糊PID控制器的输入量，模糊PID控制器可以对电流偏差信号和电流偏差率进行处理，得到旋转电压信号；将所述旋转电压信号经过坐标变换以及SVPWM发生器的处理后，可以得到一个驱动机侧变换器工作的目标电压信号；将该目标电压信号施加到永磁同步发电机(Permanent Magnet Linear Generator，PMLG)上，可以改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，从而实现频率的匹配。将模糊PID控制器应用于波浪发电***，可以有效的降低波浪发电***在最大功率点附近的振荡，在实现频率匹配后，波浪能发电***可以稳定的获取到最大输出功率。
如图1所示，为本发明实施例提供的将模糊PID控制器应用于波浪能发电***的模型的结构示意图，图1中，为q轴的参考电流信号，为d轴的参考电流信号，在本发明实施例中，可以采用的控制策略。iq为q轴的实际电流信号，id为d轴的实际电流信号，经过模糊PID控制器的处理可以得到两相旋转电压信号，其中uq为q轴的旋转电压信号，ud为d轴的旋转电压信号，uα为经过坐标变换后的q轴对应的静止电压信号，uβ为经过坐标变换后d轴对应的静止电压信号，PMLG与机侧变换器连接，机侧变换器将产生的目标信号，施加到PMLG，便可以改变浪能发电***中浮子的运行速度，从而实现频率的匹配。
接下来，详细介绍本发明实施例所提供的一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法。图1为本发明实施例提供的一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法的流程图，该方法包括：
S201：计算波浪发电***的参考电流信号。
参考电流信号可以反映出波浪能的变化情况。在本发明实施例中，可以以参考电流信号为评定标准，对波浪能发电***生成的实际电流信号进行调整。
根据谐振电路原理，可以确定出波浪发电***获取最大输出功率的目标条件，其公式如下：
Rg＝B (1)
式中，Rg为产生有功分量的阻尼系数；B为辐射力产生的阻尼系数；ω为等效电路的频率，M为包含浮子与运动等运动部件的总质量；A为因辐射力产生的附加质量；K＝ρgS，ρ为水的密度；g为重力加速度；S为浮体的有效横截面积；，Kg为产生无功分量的弹性系数。
由式(2)可得模拟电路的谐振频率ω0为：
则PMLG产生的反电磁力中的弹性系数为：
Kg＝ω0 2(M+A)-K (4)
依据于预先建立的PMLG数学模型，获取到所述波浪发电***中电机的反电磁力Fg方程，其公式如下：
式中，ψ为永磁体转子磁链，Ld、Lq分别为d、q轴定子电感，τ为极距。
由式(5)可知，永磁同步发电机的反电磁力由定子d、q轴电流分量决定。借鉴在交流旋转电机中常用的转子磁场定向矢量控制，为实现最大效率、最小损耗控制，在本发明实施例中，可以采用id＝0的矢量控制策略，使得定子电流完全用于产生反电磁力，无去磁分量。此时PMLG产生的反电磁力可表示为：
根据线性波理论，***经过线性后，反电磁力Fg可以表示为速度与位移的线性组合:
将式(1)、式(4)和式(7)代入式(6)可得到q轴参考电流信号为：
S202：依据所述参考电流信号以及所述波浪发电***产生的实际电流信号，计算对应的电流偏差信号和电流偏差率。
电流偏差信号可以用于表示波浪发电***产生的实际电流信号与参考电流信号的偏差情况，电流偏差率可以用于表示该电流偏差信号的变化率。
在本发明实施例中，可以通过计算参考电流信号与实际电流信号的差值，将该差值作为电流偏差信号。对该电流偏差信号进行求导，便可以获取到对应的电流偏差率。
S203：利用模糊PID控制器，对所述电流偏差信号和所述电流偏差率进行处理，得到旋转电压信号。
模糊PID控制器可以由模糊控制器和PID控制器两部分构成。
可以将计算出的电流偏差信号和电流偏差率作为输入信号，输入到模糊控制器中。
在模糊控制中，模糊控制器的输入必须经过模糊化才能够用于控制输出的求解，换言之，就是将真实的确定量转换为一个模糊矢量，这个模糊矢量又称之为语言变量。每一个语言变量都对应于一个模糊子集。
为了使输出能够充分地响应输入的变化，可以将输入输出划分为7种语言变量:负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。
输入的电流偏差信号e(n)和电流偏差率Δe(n)对应的模糊子集均为：
e(n)＝Δe(n)＝[NB、BM、NS、ZO、PS、PM、PB]。
其对应的模糊论域均为：[-3,-2,-1,0,1,2,3]
模糊控制器可以从预先建立的模糊规则中选取对应的模糊规则；并依据所述模糊规则，得出对应的参数调整值。
针对于PID控制器中包含的三个参数：比例调节参数Kp、积分调节参数Ki和微分调节参数Kd，由模糊控制器选取得到的参数调整值对应的可以有三个分别为：比例调节参数Kp对应的参数调整值ΔKp，积分调节参数Ki对应的参数调整值ΔKi和微分调节参数Kd对应的参数调整值ΔKd。
模糊控制器输出的变量ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊子集均为：
ΔKp、ΔKi、ΔKd＝[NB、BM、NS、ZO、PS、PM、PB]；
输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊论域均为：
[-3,-2,-1,0,1,2,3]
由于输入变量e(n)、Δe(n)的不同，为了使电流偏差信号e(n)始终想趋于零的方向变化，则需调整PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd。当电流偏差较大时可以采用较大的调节步长，当电流偏差较小时采用较小的调节步长。
综合考虑***的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面的影响因素，可以按照以下规则调整：
(1)在控制初期，适当地把Kp放在较小的档位，以减少各物理量初始变化的冲击；为防止积分饱和而引起的超调增加，Ki应取小一些；同时增大微分作用可以减小超调。
(2)在调节中期，适当加大Kp，以提高快速性和动态精度；为避免影响动态稳定性，Ki应适中，不宜过大；调节特性对Kd的变化比较敏感，所以Kd取小一些且保持不变。
(3)在调节后期，为减少***超调和提高静态稳定性，将Kp调小一些；增强积分作用，以减少***静态误差，提高控制精度；Kd再取小一些，提高***对扰动的抑制能力，补偿由于控制初期Kd较大而造成的调节时间增加。
采用if-then形式，可得到三个参数的模糊规则表如表1所示。
表1
表1中，e(n)，Δe(n)所对应的模糊子集分别包含有NB、BM、NS、ZO、PS、PM和PB，针对于e(n)，Δe(n)所对应的模糊子集，可以查找到三个参数Kp、Ki、Kd的参数调整值对应的模糊矢量。
PID控制器在接收到该参数调整值后，可以对预先设置的初始参数值进行调整，并按照调整后的参数值，计算出与所述电流偏差信号对应的旋转电压信号。
以比例调节参数为例，在本发明实施例中，可以将模糊控制器选取的参数调整值ΔKp与PID控制器对应的初始参数值Kp相加得到调整后的比例调节参数值。
S204：将所述旋转电压信号进行坐标变换，得到静止电压信号。
S205：利用SVPWM发生器，对所述静止电压信号进行处理，产生驱动机侧变换器工作的目标电压信号。
由模糊PID控制器输出的电压信号为旋转电压信号，而利用SVPWM对电压信号处理之前，需要先将旋转电压信号变换为静止电压信号。
S206：根据所述目标电压信号，改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，实现频率的匹配。
机侧变换器与PMLG连接，可以将目标电压信号施加到PMLG上，相当于将一个外力施加到PMLG上，从而可以改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，并且该目标电压信号是根据实际电流信号与参考电流信号的偏差情况，生成的目标电压信号，通过将该目标电压信号施加到PMLG上，可以使得电流偏差信号趋向于零，从而实现频率的匹配。
由上述技术方案可以看出，通过计算波浪发电***的参考电流信号；依据该参考电流信号以及所述波浪发电***产生的实际电流信号，可以计算对应的电流偏差信号和电流偏差率；将该电流偏差信号和电流偏差率输入到模糊PID控制器中，经过模糊PID控制器的处理，可以得到对应的旋转电压信号；并将该旋转电压信号经过坐标变换，以及SVPWM发生器的处理，可以得到驱动机侧变换器工作的目标电压信号；将该目标电压信号施加到波浪发电***的电机上，便可以改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，从而实现频率的匹配。将模糊PID控制器应用于波浪发电***，可以有效的降低波浪发电***在最大功率点附近的振荡，从而提升波浪能发电***获取最大输出功率的稳定性。
图3为本发明实施例提供的一种基于模糊PID控制器的频率匹配的装置的结构示意图，包括计算单元31、处理单元32、坐标变换单元33和改变单元34：
所述计算单元31，用于计算波浪发电***的参考电流信号。
所述计算单元31还用于依据所述参考电流信号以及所述波浪发电***产生的实际电流信号，计算对应的电流偏差信号和电流偏差率。
所述处理单元32，用于利用模糊PID控制器，对所述电流偏差信号和所述电流偏差率进行处理，得到旋转电压信号。
所述坐标变换单元33，用于将所述旋转电压信号进行坐标变换，得到静止电压信号。
所述处理单元32还用于利用SVPWM发生器，对所述静止电压信号进行处理，产生驱动机侧变换器工作的目标电压信号。
所述改变单元34，用于根据所述目标电压信号，改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，实现频率的匹配。
可选的，所述计算单元包括确定子单元和获取子单元：
所述确定子单元，用于根据谐振电路原理，确定出波浪发电***获取最大输出功率的目标条件；
所述获取子单元，用于依据于预先建立的PMLG数学模型，获取到所述波浪发电***中电机的反电磁力方程，并结合所述目标条件，计算出所述波浪发电***的参考电流信号。
可选的，所述处理单元包括选取子单元和调整子单元：
所述选取子单元，用于根据所述电流偏差信号和所述电流偏差率，通过模糊控制器从预先建立的模糊规则中选取对应的模糊规则；并依据所述模糊规则，得出对应的参数调整值；
所述调整子单元，用于根据所述参数调整值，通过PID控制器对预先设置的初始参数值进行调整，并按照调整后的参数值，计算出与所述电流偏差信号对应的旋转电压信号。
图3所对应实施例中特征的说明可以参见图2所对应实施例的相关说明，这里不再一一赘述。
以上对本发明实施例所提供的一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法与装置进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (6)

1.一种基于模糊PID控制器的频率匹配的方法，其特征在于，包括：
计算波浪发电***的参考电流信号；
依据所述参考电流信号以及所述波浪发电***产生的实际电流信号，计算对应的电流偏差信号和电流偏差率；
利用模糊PID控制器，对所述电流偏差信号和所述电流偏差率进行处理，得到旋转电压信号；
将所述旋转电压信号进行坐标变换，得到静止电压信号；
利用SVPWM发生器，对所述静止电压信号进行处理，产生驱动机侧变换器工作的目标电压信号；
根据所述目标电压信号，改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，实现频率的匹配。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算波浪发电***的参考电流信号包括：
根据谐振电路原理，确定出波浪发电***获取最大输出功率的目标条件；
依据于预先建立的PMLG数学模型，获取到所述波浪发电***中电机的反电磁力方程，并结合所述目标条件，计算出所述波浪发电***的参考电流信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述利用模糊PID控制器，对所述电流偏差信号和所述电流偏差率进行处理，得到旋转电压信号包括：
根据所述电流偏差信号和所述电流偏差率，通过模糊控制器从预先建立的模糊规则中选取对应的模糊规则；并依据所述模糊规则，得出对应的参数调整值；
根据所述参数调整值，通过PID控制器对预先设置的初始参数值进行调整，并按照调整后的参数值，计算出与所述电流偏差信号对应的旋转电压信号。
4.一种基于模糊PID控制器的频率匹配的装置，其特征在于，包括计算单元、处理单元、坐标变换单元和改变单元：
所述计算单元，用于计算波浪发电***的参考电流信号；
所述计算单元还用于依据所述参考电流信号以及所述波浪发电***产生的实际电流信号，计算对应的电流偏差信号和电流偏差率；
所述处理单元，用于利用模糊PID控制器，对所述电流偏差信号和所述电流偏差率进行处理，得到旋转电压信号；
所述坐标变换单元，用于将所述旋转电压信号进行坐标变换，得到静止电压信号；
所述处理单元还用于利用SVPWM发生器，对所述静止电压信号进行处理，产生驱动机侧变换器工作的目标电压信号；
所述改变单元，用于根据所述目标电压信号，改变所述波浪发电***中浮子的运动速度，实现频率的匹配。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计算单元包括确定子单元和获取子单元：
所述确定子单元，用于根据谐振电路原理，确定出波浪发电***获取最大输出功率的目标条件；
所述获取子单元，用于依据于预先建立的PMLG数学模型，获取到所述波浪发电***中电机的反电磁力方程，并结合所述目标条件，计算出所述波浪发电***的参考电流信号。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括选取子单元和调整子单元：
所述选取子单元，用于根据所述电流偏差信号和所述电流偏差率，通过模糊控制器从预先建立的模糊规则中选取对应的模糊规则；并依据所述模糊规则，得出对应的参数调整值；
所述调整子单元，用于根据所述参数调整值，通过PID控制器对预先设置的初始参数值进行调整，并按照调整后的参数值，计算出与所述电流偏差信号对应的旋转电压信号。
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