垂直轴磁悬浮风力发电机转子系统控制研究

论文摘要

随着经济的不断发展和生活水平的不断提高,能源问题的解决变得迫在眉睫。被称为“绿色能源”的风能受到重视,作为一种自然资源,和煤炭、石油、天然气等常规能源一样可以利用,而且有其独特的优点,清洁无污染。如果能成功研制出适合地区特点的容易安装、弱风速启动、安全性高的小型、户型风力发电机,并且推广到家庭使用,使小型电源成为电网供电的有效补充,既减轻传统发电的污染问题,又可以缓解局部地区能源短缺的局面,这对于我国能源配置将有重大意义。本文选择了具有理论与实际意义的垂直轴磁悬浮风力发电机转子系统控制为研究课题,做了一些相关工作。本文首先对垂直轴磁悬浮风力发电机进行了简要设计,将磁悬浮技术应用在转子系统中,采用电磁-永磁相结合的混合悬浮方案,使其具有诸多优点:没有接触,不需润滑、功耗低、启动风速进一步降低等等。在此基础上,建立了转子系统的数学模型,以求能够对转子位移进行有效控制。然后,结合滑模变结构控制、自适应神经模糊推理系统（ANFIS）以及工业中普遍应用的PID控制思想。针对磁悬浮转子系统,本文进一步研究了模糊滑模控制和基于自适应神经模糊推理系统的ANFIS-PID控制,实现了垂直轴磁悬浮风力发电机转子的稳定悬浮。滑模控制最大的优点是强鲁棒性,通过选择合适的切换函数和设计相应的控制律来保证垂直轴磁悬浮风力发电机转子系统对复杂运行环境的适应力,对参数变化和干扰的抑制能力。而滑模控制最大的缺点是存在抖振,本文运用模糊算法来柔化滑模控制的输出,很大程度的削弱了一般滑模控制的抖振问题。ANFIS-PID控制充分结合模糊控制的抽象能力和神经网络的学习能力,能够对PID控制参数实现在线调整,有效的解决了常规PID控制器不能自动调整PID参数的缺点,增强了转子系统的自调整能力。仿真证明,上述两种控制方法成功实现了转子的稳定悬浮,使垂直轴磁悬浮风力发电机的转子系统具有良好的动态性能,达到预期目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 风力发电与磁悬浮技术
• 1.2.1 风力发电机简介
• 1.2.2 磁悬浮技术
• 1.2.3 风力发电与磁悬浮的融合
• 1.3 课题研究现状
• 1.3.1 磁悬浮技术研究现状
• 1.3.2 垂直轴磁悬浮风力发电的研究现状
• 1.4 控制理论在磁悬浮技术中的应用
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 垂直轴磁悬浮风力发电机结构及工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 H 型垂直轴风力发电机
• 2.2.1 水平轴风力发电机与垂直轴风力发电机的比较
• 2.2.2 H 型垂直轴风力发电机
• 2.3 垂直轴磁悬浮风力发电机结构
• 2.3.1 悬浮方式的选择
• 2.3.2 垂直轴磁悬浮风力发电机结构
• 2.4 转子系统悬浮控制工作原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 磁悬浮转子系统的模糊滑模控制
• 3.1 引言
• 3.2 转子控制系统数学模型的建立
• 3.2.1 转子控制系统的基本物理量
• 3.2.2 电磁控制系统结构
• 3.2.3 转子控制系统数学模型
• 3.2.4 功率放大器与传感器的数学模型
• 3.3 滑模变结构控制的基本原理
• 3.3.1 滑模控制的基本概念
• 3.3.2 滑模控制的特性
• 3.3.3 滑模控制器的设计步骤
• 3.4 滑模控制的抖振问题以及削弱方式
• 3.4.1 抖振问题的产生原因
• 3.4.2 抖振问题的削弱
• 3.5 模糊控制与滑模控制的结合
• 3.6 垂直轴磁悬浮风力发电机转子系统的模糊滑模控制
• 3.6.1 控制器的设计
• 3.6.2 仿真分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于ANFIS 的磁悬浮转子系统控制
• 4.1 引言
• 4.2 转子系统的PID 控制
• 4.2.1 PID 控制稳定性分析
• 4.2.2 垂直轴磁悬浮风力发电机转子系统的PID 控制仿真
• 4.3 磁悬浮转子系统的ANFIS-PID 控制
• 4.3.1 模糊控制与神经网络结合的必要性以及结合方式
• 4.3.2 ANFIS 的网络结构
• 4.3.3 转子系统的ANFIS-PID 控制及仿真分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介