一种垂直轴风力机磁滞非线性加载控制方法

技术领域

本发明涉及磁滞非线性控制技术领域，具体涉及一种垂直轴风力机磁滞非线性加载控制方法。

背景技术

垂直轴风力发电机是以风力发电，近些年来，我国大力发展新能源行业，支持各种绿色、清洁能源，风电作为世界清洁能源结构的重要组成部分，也越来越受重视。其中，垂直风轮是垂直风力发电系统的重要部件之一，而其性能的好坏会直接影响垂直轴风力发电系统的运作性能，在垂直轴风轮模拟加载实验中，采用的是磁粉制动器来提供加载力矩以模拟发电机的磁极间力矩，磁粉制动器重要是由主动转子、从动转子、激磁线圈组成。磁粉制动器的工作原理是：当线圈不通电时，主动转子旋转，由于离心力的作用，磁粉被甩在主动转子的内壁上，磁粉与从动转子之间没有接触，主动转子空转；当线圈接通电源后产生电磁场，工作介质磁粉在磁力线作用下磁化，形成磁粉链，并在固定的导磁体与转子间聚合，从而达到输出制动扭矩进行制动的目的，由于垂直轴风力发电机在运作时，随着转速的升高，输出扭矩随输入电流变化的曲线，不论是上升段还是下降段，输出扭矩都更大。当输入电流递增时，磁粉制动器输出转矩沿上升段上升，当输入电流递减时，磁粉制动器输出转矩并不是沿原路下降，因此，输入电流和输出扭矩不是完全线性的，呈现出典型的磁滞现象。

磁滞特性广泛存在于各种工程领域，如智能材料非线性系统通常都含有磁滞现象，由于非线性磁滞特性的复杂与不确定性，建立精确的数学模型来描述非线性特性是一项较困难的任务，其精准的非线性力的控制也难以实现，已有不少人提出磁滞非线性系统控制方法可供参考，常见的模型有Presisach模型、Duhem模型、Bouc-Wen模型、Prandtl-Ishlinskii模型，对于磁粉制动器，本发明考虑用Prandtl-Ishlinskii模型来描述磁滞现象，设计基于演算子理论的非线性控制器来处理磁滞，通过把磁滞分为可逆与不可逆两部分，利用补偿算子来消除可逆和不可逆的磁滞影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种垂直轴风力机磁滞非线性加载控制方法，包括以下步骤：

步骤一：建立磁粉制动器数学模型；

步骤二：磁粉制动器实验；

步骤三：参数辨识；

步骤四：控制器设计；

步骤五：仿真、实验验证。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤一中针对磁粉制动器中存在的磁滞问题，我们把磁滞分为可逆和不可逆两个部分，本发明考虑利用Prandtl-Ishlinskii模型，并结合演算子理论建立数学模型，该模型表示如下：

M

其中PI是指磁滞的PI模型，可逆部分D

S

其中，u(t)和h分别是输入电流和迟滞算子的阈值，初始条件有：

F

h

为保证系统的鲁棒稳定性，采用基于演算子理论的鲁棒右互素分解方法，其是一种利用时变系统输入输出关系的鲁棒非线性控制方法。系统保持鲁棒稳定性条件如下：

AN+BD＝M(7)

||(A(N+ΔN)-AN)M

A、B是两个稳定的演算子，N、ΔN、D也是稳定的，且D是可逆的，(A(N+ΔN)-AN)M

其中，P

D

为实现跟踪功能，对已经稳定的非线性系统设计一个反馈跟踪控制，演算子A

B

其中，输出扭矩y

为了补偿非线性部分的Δ

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤二中磁粉制动实验还包括：

S1、启动风源，调整风速使风轮转速到达一个稳定数值，并记录风速及风轮转速；

S2、通过电流控制器控制磁粉制动器输入电流的大小，并记录磁粉制动器的输出扭矩值；

具体操作为：使得磁粉制动器输入电流值从零上升到垂直轴风轮停止转动之后，再降到零值；记录每个输入电流值数据以及其对应的磁粉制动器的输出扭矩值数据；

S3、多次重复步骤S2进行电流多周期方式测量，得到每个输入电流值在不同周期中的输出扭矩值数据；

S4、将S3得到的输出扭矩值进行筛选，剔除波动过大的输出扭矩，留下较为合理的扭矩值；

S5、将筛选留下的多组数据，在直角坐标系中绘制曲线图，进而得到磁粉制动器电流与扭矩的关系曲线。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤三实验中绘制的电流与扭矩的曲线图，将曲线图中的电流值重新记录下来，把不同的电流值输入设计的非线性控制器系统，记录系统输出不同的扭矩数值，结合非线性控制器的控制原理，可以确定步骤一建立的数学模型中部分参数值；通过实验确定参数A

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤四通过对磁滞现象的研究不难发现，磁滞特性较复杂，为了有效控制磁滞现象，基于PI模型及演算子理论，设计如下非线性控制器来处理磁滞，设计的控制结构图如图2所示，图中，PI是指磁滞的PI模型，C

针对非线性系统中的不确定性，在控制器中考虑利用鲁棒右互质分解理论来消除系统的不确定性，基于演算子的控制设计如图3所示，P

通过上述基于演算子的控制系统设计，使含有不确定的非线性系统保持鲁棒稳定性，对于已经稳定的非线性系统，为了实现跟踪功能，设计如图4框选部分，C

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤五是由步骤三确定的部分参数值代入到设计的非线性控制器中，再结合步骤二记录的输入电流的实验数据，把不同的输入电流值输入步骤四设计的控制器中进行仿真实验，记录得到的不同输出扭矩值，把仿真实验中的输入电流与输出扭矩数值放在直角坐标系中绘制对应的曲线图；仿真实验求得的输入与输出的曲线图与原实验得到的曲线进行比较分析，验证非线性控制器的有效性。

由于采用了上述技术方案，本发明相对现有技术来说，取得的技术进步是：

1、本发明提供一种垂直轴风力机磁滞非线性加载控制方法，利用右互质分解和贝祖不等式等理论，无须建立磁粉制动器的精确模型和复杂的稳定性约束，保障了控制器的稳定性和鲁棒性。

2、本发明提供一种垂直轴风力机磁滞非线性加载控制方法，基于Prandtl-Ishlinskii迟滞模型将其分解为可逆部分和非线性部分，针对非线性部分设计了补偿控制器，大大减少了模型不确定带来的影响，并确保了控制器的追踪性能。

附图说明

图1为本发明的垂直轴风力机磁滞非线性加载控制方法的流程图；

图2为考虑迟滞补偿的非线性控制器控制结构图；

图3为有扰动的非线性系统的反馈回路控制结构图；

图4为跟踪设计结构图；

图5为磁粉制动器电流与扭矩的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

如图1-5所示，本发明提供了一种垂直轴风力机磁滞非线性加载控制方法，包括以下步骤：

步骤一：建立磁粉制动器数学模型；

步骤二：磁粉制动器实验；

步骤三：参数辨识；

步骤四：控制器设计；

步骤五：仿真、实验验证。

在本实施案例中，垂直轴风力机磁滞非线性加载控制方法，是通过建立数学模型对磁滞现象进行描述，进而设计非线性控制器来处理磁滞，将磁粉制动器中的输入电流与输出扭矩的非线性关系转化为近似线性。

实施例2

如图1所示，在实施例1的基础上，本发明提供一种技术方案：优选的，所述步骤一中针对磁粉制动器中存在的磁滞问题，我们把磁滞分为可逆和不可逆两个部分，本发明考虑利用Prandtl-lshlinskii模型，并结合演算子理论建立数学模型，该模型表示如下：

M

其中PI是指磁滞的PI模型，可逆部分D

S

其中，u(t)和h分别是输入电流和迟滞算子的阈值，初始条件有：

F

h

为保证系统的鲁棒稳定性，采用基于演算子理论的鲁棒右互素分解方法，其是一种利用时变系统输入输出关系的鲁棒非线性控制方法。系统保持鲁棒稳定性条件如下：

AN+BD＝M(7)

||(A(N+ΔN)-AN)M

A、B是两个稳定的演算子，N、ΔN、D也是稳定的，且D是可逆的，(A(N+ΔN)-AN)M

其中，P

D

为实现跟踪功能，对已经稳定的非线性系统设计一个反馈跟踪控制，演算子A

B

其中，输出扭矩y

为了补偿非线性部分的Δ

在本实施例中，利用右互质分解和贝祖不等式等理论，无须建立磁粉制动器的精确模型和复杂的稳定性约束，保障了控制器的稳定性和鲁棒性。

实施例3

如图1和图5所示，在实施例1的基础上，本发明提供一种技术方案：优选的，所述步骤二中磁粉制动实验还包括：

S1、启动风源，调整风速使风轮转速到达一个稳定数值，并记录风速及风轮转速；

S2、通过电流控制器控制磁粉制动器输入电流的大小，并记录磁粉制动器的输出扭矩值；

具体操作为：使得磁粉制动器输入电流值从零上升到垂直轴风轮停止转动之后，再降到零值；记录每个输入电流值数据以及其对应的磁粉制动器的输出扭矩值数据；

S3、多次重复步骤S2进行电流多周期方式测量，得到每个输入电流值在不同周期中的输出扭矩值数据；

S4、将S3得到的输出扭矩值进行筛选，剔除波动过大的输出扭矩，留下较为合理的扭矩值；

S5、将筛选留下的多组数据，在直角坐标系中绘制曲线图，进而得到磁粉制动器电流与扭矩的关系曲线。

实施例4

如图1-5所示，在实施例1的基础上，本发明提供一种技术方案：优选的，所述步骤三实验中绘制的电流与扭矩的曲线图，将曲线图中的电流值重新记录下来，把不同的电流值输入设计的非线性控制器系统，记录系统输出不同的扭矩数值，结合非线性控制器的控制原理，可以确定步骤一建立的数学模型中部分参数值；通过实验确定参数A

所述步骤四通过对磁滞现象的研究不难发现，磁滞特性较复杂，为了有效控制磁滞现象，基于PI模型及演算子理论，设计如下非线性控制器来处理磁滞，设计的控制结构图如图2所示，图中，PI是指磁滞的PI模型，C

针对非线性系统中的不确定性，在控制器中考虑利用鲁棒右互质分解理论来消除系统的不确定性，基于演算子的控制设计如图3所示，P

通过上述基于演算子的控制系统设计，使含有不确定的非线性系统保持鲁棒稳定性，对于已经稳定的非线性系统，为了实现跟踪功能，设计如图4框选部分，C

所述步骤五是由步骤三确定的部分参数值代入到设计的非线性控制器中，再结合步骤二记录的输入电流的实验数据，把不同的输入电流值输入步骤四设计的控制器中进行仿真实验，记录得到的不同输出扭矩值，把仿真实验中的输入电流与输出扭矩数值放在直角坐标系中绘制对应的曲线图；仿真实验求得的输入与输出的曲线图与原实验得到的曲线进行比较分析，验证非线性控制器的有效性。

在本实施例中，基于Prandtl-Ishlinskii迟滞模型将其分解为可逆部分和非线性部分，针对非线性部分设计了补偿控制器，大大减少了模型不确定带来的影响，并确保了控制器的追踪性能。

上文一般性的对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对于技术领域的一般技术人员是显而易见的。因此，在不脱离本发明思想精神的修改或改进，均在本发明的保护范围之内。