模糊PI控制下垂控制器設(shè)計(jì)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u30971模糊PI控制下垂控制器設(shè)計(jì)分析案例 1218591.1模糊控制 1276981.1.1模糊控制的原理 152781.1.2模糊控制器的構(gòu)成 2168951.2下垂控制改進(jìn)分析 2159681.3模糊PI改進(jìn)下垂控制器設(shè)計(jì) 447001.3.1基于模糊PI下垂控制頻率和電壓幅值設(shè)計(jì) 4304621.3.2模糊PI下垂控制步驟設(shè)計(jì) 51.1模糊控制模糊控制一詞起源于美國，后由L.A.Zadeh在1960年代中期開發(fā)。L.A.Zade教授首先提出了它，目前已經(jīng)在很多工程中項(xiàng)目被應(yīng)有。計(jì)算機(jī)技術(shù)是模糊控制的基礎(chǔ)，模糊控制聽起來可能很難理解，實(shí)際就是它通過一定的方式將學(xué)者的研究成果和實(shí)時(shí)工作人員的閱歷相結(jié)合轉(zhuǎn)換為比較模糊的集合，被作為語言儲(chǔ)備，然后經(jīng)歷了一系列模糊推理可以轉(zhuǎn)變成機(jī)器容易識(shí)別的語言信號(hào)，模糊控制讓計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)和人為一樣的控制，所以相對(duì)傳統(tǒng)控制更加智能化。這種方法相對(duì)于經(jīng)典的控制方法來說，模糊控制大象的特定模型要求不高，通常用于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，可用于抑制小規(guī)模干擾。1.1.1模糊控制的原理 模糊控制器的工作原理不同于傳統(tǒng)下垂控制的對(duì)受控對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)而進(jìn)行控制的方法，常用的思路為讓計(jì)算機(jī)有人類一樣的有自己的控制經(jīng)驗(yàn)。思路如下：第一步匯總相關(guān)專家的理論研究和工作人員在日常工作中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)去作為電腦去控制機(jī)器的重要規(guī)則和依據(jù)，緊接著傳感器會(huì)根據(jù)第一步制定的規(guī)則做出符合規(guī)則的動(dòng)作，即分析采集的信號(hào)后傳送到模糊域進(jìn)行模糊化處理。第三步把經(jīng)過模糊化的信號(hào)再通過清晰化處理變成電網(wǎng)的執(zhí)行部分能夠識(shí)別出的特征量，最后通過該特征量實(shí)現(xiàn)去被控對(duì)象的控制。若被控對(duì)象的輸出量不是所最需要的，這就說明制定的規(guī)則不能滿足時(shí)間需要了，需要重新制定。圖1.1模糊控制的主要步驟圖。模糊控制器模糊控制器模糊決策模糊量化處理計(jì)算控制變量-給定值+-A/D A/D D/A圖1.1 模糊控制步驟圖Fig.1.1Thebasicstepsoffuzzycontrol1.1.2模糊控制器的構(gòu)成合理設(shè)計(jì)模糊控制器的各組成部分是確保被控對(duì)象達(dá)到有效輸出狀態(tài)的保障，一般情況下的模糊控制器包括四個(gè)部分組成，分別是模糊化、清晰化、模糊推理以及知識(shí)庫，如圖1.2所示是控制器的構(gòu)成圖。知識(shí)庫由基于工人經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則庫，主要包含認(rèn)為一些控制經(jīng)驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換因子的數(shù)據(jù)庫。給定的值經(jīng)過模糊化變成模糊域，緊接著是模糊推理，最后是清晰化處理。知識(shí)庫在這三部起到了重要的作用，起到了監(jiān)管的作用。最后經(jīng)過清晰化的信號(hào)變成了系統(tǒng)對(duì)象可以識(shí)別的信號(hào)，起到了合理控制的作用。給定值給定值模糊化清晰化系統(tǒng)輸出對(duì)象模糊控制器知識(shí)庫圖1.2 模糊控制器模塊圖Fig.1.2Modulechartoffuzzycontroller1.2下垂控制改進(jìn)分析根據(jù)第3.3節(jié)可知，系數(shù)m和n在P-f和Q-V下垂控制下得到一組固定值，因?yàn)椴煌膫鬏斪杩?，如果?fù)載功率有很大變化，那么此時(shí)孤島微電網(wǎng)微電源就會(huì)表現(xiàn)出很大的偏差在輸出電壓幅度和頻率上表現(xiàn)。(a)頻率變化(b)電壓幅值變化(a)Thefrequencychange(b)Voltageamplitudevariation圖1.3改進(jìn)后電壓和頻率變化曲線圖Fig.1.3Modifiedvoltageandfrequencyvariationcurves微電源的P-f下垂特性曲線、微電源Q-V下垂特性曲線分別是圖1.3（a）、圖1.3（b）。通過對(duì)曲線圖分析分析可知，微電源輸出的電壓幅值和頻率會(huì)基于微電源系統(tǒng)的負(fù)荷功率的變化而變化，最終導(dǎo)致與額定值出現(xiàn)偏離。想要實(shí)現(xiàn)電壓和頻率穩(wěn)定的理想狀態(tài)，下垂系數(shù)可以發(fā)揮重要的作用。所以可以對(duì)下垂系數(shù)調(diào)節(jié)來達(dá)到電壓和頻率的穩(wěn)定。查閱了相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，以前大多時(shí)候?qū)ο麓瓜禂?shù)的調(diào)控都是用PI控制，優(yōu)點(diǎn)是可以有效減少偏差，缺點(diǎn)是對(duì)控制系數(shù)要求太過于精確，現(xiàn)實(shí)中很難達(dá)到這個(gè)條件。但是，模糊控制和傳統(tǒng)的多環(huán)控制最大的區(qū)別是模糊控制不涉及控制對(duì)象的正確量值。缺點(diǎn)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤值無法有效排除。PI控制只能彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，PI控制可以具有高控制精度，其綜合調(diào)整功能可以有效減少錯(cuò)誤。因?yàn)閮煞N控制各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以取長補(bǔ)短，兩種控制方式合作使用就把兩者的優(yōu)勢結(jié)合到一起，同時(shí)還互相彌補(bǔ)了缺陷。因此使得控制的效率大大提高，穩(wěn)定狀態(tài)下的誤差也會(huì)減小。綜上分析，方程式（3.1）和（3.2）調(diào)整為：（1.1）（1.2）在公式中修正因子有kmP、kmI、knP、knI。穩(wěn)態(tài)負(fù)荷利用kmP、knP達(dá)到分配效果，kmI、knI能夠?qū)ο到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行消除。1.3模糊PI改進(jìn)下垂控制器設(shè)計(jì)通過1.2節(jié)的分可以知道模糊下垂控制策略是在功率變化時(shí)發(fā)揮作用，可以調(diào)整公式（1.1）（1.2）中的下垂系數(shù)kmP，kmI，knP和knI，為了降低穩(wěn)態(tài)誤差，可以采取用PI控制方法。改進(jìn)下垂控制系統(tǒng)框圖如圖1.4所示。圖1.4改進(jìn)下垂控制模塊圖Fig.1.4Pendantcontrolmodulediagram1.3.1基于模糊PI下垂控制頻率和電壓幅值設(shè)計(jì)模糊PI下垂控制模塊構(gòu)木塊組成圖如圖1.5所示。首先，設(shè)定額定頻率fn的偏差ef、頻率偏差變化率ecf分別是fn-f、def-dt。由于這是兩個(gè)不同的模擬量，因此，就應(yīng)該要基于A/D模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信量。然后對(duì)輸入量根據(jù)規(guī)則會(huì)做相應(yīng)的分析推理，經(jīng)過推理后可以得到kmp和kmI兩個(gè)清晰量，帶入公式（1.1）中可以推出電壓合成環(huán)節(jié)的參考頻率f*。圖1.5基于模糊PI下垂控制頻率控制模塊圖Fig.1.5FrequencycontrolmodulediagrambasedonfuzzyPIdroopcontrol電壓幅值模糊PI下垂控制組成模塊如圖1.6所示。經(jīng)過下圖一系列，微電源電壓轉(zhuǎn)換得到參考電壓幅值V*。圖1.6電壓幅值模糊PI下垂控制系統(tǒng)圖Fig.1.6FuzzyPIdroopcontrolsystemofvoltageamplitude最后在合成環(huán)節(jié)輸入?yún)⒖碱l率f*和參考電壓幅度V*兩個(gè)量，電壓和頻率在合成環(huán)節(jié)坐標(biāo)可以發(fā)生變換后就可以得到的輸入量，然而這兩個(gè)量都不是只受電壓和頻率單一控制的，電壓和對(duì)電流都對(duì)其有影響，所以對(duì)這兩個(gè)量的控制就是對(duì)電壓和頻率的控制，也就是對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制。1.3.2模糊PI下垂控制步驟設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)和選擇模糊控制規(guī)則和解模糊方法能夠有效確保電壓幅值和頻率穩(wěn)定。（1）制定模糊控制規(guī)則在模糊PI下垂控制的策略下，要想系統(tǒng)達(dá)到理想的穩(wěn)定狀況，制定合適且實(shí)用的牧戶控制規(guī)則表是重中之重。該表可以加快系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且減少穩(wěn)定誤差。通過分析島式微電網(wǎng)的運(yùn)行特性，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及作為建議，表1.1為下垂系數(shù)kP和kI的模糊控制規(guī)則。設(shè)計(jì)原理如下：系統(tǒng)剛開始運(yùn)行誤差會(huì)比較大，利用減小下垂系數(shù)kp來防止過飽和的情況。同時(shí)增大下垂系數(shù)kI加快系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定的系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，可以增大相關(guān)下垂系數(shù)來減小誤差。兩者互相配合使得系統(tǒng)穩(wěn)定又高效。表1.1模糊控制規(guī)則表Tab.1.1Fuzzycontrolrules推理算法的確定和模糊規(guī)則的建立緊密聯(lián)系，它主要由模糊規(guī)則組成。確定控制規(guī)則中的隸屬函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)（Mamdani）輸入是我們使用的人最多的推理算法。在這種方法下，專家的知識(shí)、工人經(jīng)驗(yàn)會(huì)通過一組文字去對(duì)規(guī)則進(jìn)行表示，最常用的表述如下。if（xxxxxx）then（yyyyyy）x代表滿足的條件，y則代表可以推出的結(jié)論。無論是x，先決條件還是y，這些都是模糊PI控制概念的體現(xiàn)，也是模糊控制規(guī)則具體外現(xiàn)。（2）解模糊法模糊值在模糊推理下得到，不能被受控部分所識(shí)別，要想負(fù)載正常工作，通過解模糊法，得到模糊量識(shí)別的清晰量，當(dāng)下面積重心法是最普遍的。在面積重心法的作用下，圖像的重心由隸屬度函數(shù)曲線與其橫坐標(biāo)圍成的，這個(gè)重心就代表了清晰的輸出值。將μv（v）的加權(quán)平均值作為v的凈值，即：（1.7）公式1.8可以解決離散論域的情況的問題：（1.8）如圖1.9是通過解模糊得到的下垂系數(shù)kP和kI的輸出立體集合圖。kP輸出立體幾何圖(a)SolidgeometryofkkI輸出立體幾何圖(b)Solidgeome