用于立轴风力机的智能控制器设计方法研究

论文摘要

进入二十一世纪以来,环境污染和化石能源枯竭已经成为威胁人类的进步和发展的重大问题。因此,寻找和开发环保的可持续利用的新能源越来越受到人们的重视。其中对分布广、储量大、廉价又无污染的风能的利用得到了各国政府的广泛关注。目前,对水平轴风力发电机的研究和使用已经到了十分成熟的地步,形成了对水平轴风力发电机进行设计和控制的完整的理论体系。但是,对结构更加复杂,风能利用效率更高的立轴风力发电机的研究却很少,还没有形成完善的分析、设计和控制的理论体系。本文以新型三叶立轴风力机为研究对象。此立轴风力机巧妙的利用半转结构,大大提升了风力机的风能利用效率。本文分析了这种新型立轴风力机的叶片攻角与其工作效率的关系。并以小型的立轴风力机为基础进行了深入的研究。结合现有的对这种新型立轴风力机的风能利用效率及其输出功率的研究结果,建立了新型立轴风力机的数学模型,并在MATLAB中对此模型进行了仿真研究,改进了风力机运行的控制方案。在此基础上,设计制作了立轴风力机控制器,并进行了车载试验,证明了控制方案的可行性。根据新型立轴风力机的结构特点,本文采用变桨距控制。从立轴风力机的数学模型来看,立轴风力机是一个复杂的非线性系统。因此,使用传统的PID控制算法无法获得令人满意的控制效果。鉴于先进的智能控制技术在水平轴风力发电机中的成功应用,本文提出了基于BP网络的模糊神经网络对新型立轴风力机进行恒转速控制。经过对MATLAB仿真结果的分析表明,与采用传统的PID控制和模糊控制比较,基于BP网络的模糊神经网络控制器改善了系统的控制效果,证明了基于BP网络的模糊神经网络在新型立轴风力机控制系统中使用的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 选题的背景和意义
• 1.3 立轴风力机的国内外发展现状
• 1.4 风力机控制技术简介
• 1.5 本文的主要目的和内容
• 2. 新型立轴风力机数学模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 新型立轴风力机的工作原理，风能捕获效率和功率
• 2.2.1 新型立轴风力机的工作原理
• 2.2.2 新型立轴风力机的风能利用效率和功率的计算
• 2.3 新型立轴风力机攻角与其工作效率的关系
• 2.3.1 叶片攻角为0 时，叶片运行一周吸收的风能
• 2.3.2 叶片攻角为α时，叶片运行一周吸收的风能
• 2.4 新型立轴风力机数学模型及试验样机参数的确定
• 2.4.1 新型立轴风力机的数学模型
• 2.4.2 新型立轴风力机试验样机参数的确定
• 3. 基于BP 网络的模糊神经网络的立轴风力机控制器设计的仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于BP 网络的模糊神经网络简介
• 3.3 新型立轴风力机控制器的设计及其MATLAB 仿真
• 3.3.1 传统控制方法仿真
• 3.3.2 基于BP 网络的模糊神经网络仿真
• 3.3.3 仿真结果对比分析
• 4. 新型立轴风力机控制器设计
• 4.1 控制器总体设计
• 4.2 控制器硬件设计
• 4.2.1 风向，叶片位置，风速和转速的采集电路
• 4.2.2 温度采集电路
• 4.2.3 步进电机驱动电路
• 4.2.4 供电模块电路
• 4.3 控制器软件设计
• 4.3.1 新型立轴风力机控制策略
• 4.3.2 上位机和下位机的通讯协议
• 4.3.3 软件设计
• 5. 试验及总结
• 5.1 试验过程简介
• 5.2 试验结果分析
• 5.3 总结
• 参考文献
• 附录：硕士研究生学习期间发表论文
• 致谢