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基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法

范新宇 孟昊

范新宇, 孟昊. 基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 48-56 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
引用本文: 范新宇, 孟昊. 基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 48-56 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
FAN Xinyu, MENG Hao. Method for Maximum Power Control of Direct-drive Wave Power Device Based on Fuzzy Sliding Mode Control[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(1): 48-56. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
Citation: FAN Xinyu, MENG Hao. Method for Maximum Power Control of Direct-drive Wave Power Device Based on Fuzzy Sliding Mode Control[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(1): 48-56. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114

基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
基金项目: 国家自然科学基金青年项目(52205271).
详细信息
    作者简介:

    孟昊:范新宇(1991-), 男, 副教授, 主要研究方向为电磁直线驱动装置优化设计、控制与应用

  • 中图分类号: TJ630.2, U664.1

Method for Maximum Power Control of Direct-drive Wave Power Device Based on Fuzzy Sliding Mode Control

  • 摘要: 海洋波浪能是一种新型清洁能源, 为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率, 针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题, 提出基于模糊滑模控制的最大功率控制方法, 根据运行状态实时调整趋近律参数, 在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波, 减小跟踪误差, 提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机(PMLG)作为发电装置, 建立系统动力学模型, 并通过快速傅里叶变换方法预估不规则波浪主频, 设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线; 在此基础上, 将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比, 结果表明: 模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。

     

  • 图  1  直驱式波浪发电系统原理

    Figure  1.  Principle of direct drive wave power system

    图  2  RLC等效电路图

    Figure  2.  RLC equivalent circuit diagram

    图  3  模糊滑模控制原理图

    Figure  3.  Principle of fuzzy sliding mode control

    图  4  $ {{\boldsymbol{s}}}_{{\boldsymbol{n}}} $$ \mathop {{{\boldsymbol{s}}_{\boldsymbol{n}}}}\limits^{\;.} $隶属函数

    Figure  4.  Membership function of $ {\boldsymbol{s}}_{\boldsymbol{n}} $ and $ \mathop {{{\boldsymbol{s}}_{\boldsymbol{n}}}}\limits^{\;.} $

    图  5  ${\boldsymbol{ \Delta \varepsilon}} $隶属函数

    Figure  5.  Membership function of ${\boldsymbol{ \Delta }}{\boldsymbol{\varepsilon}} $

    图  6  发电系统模型结构图

    Figure  6.  Structure diagram of power generation system model

    图  7  PID控制下q轴跟踪电流及跟踪误差

    Figure  7.  Tracking current and tracking error at q-axis under PID control

    图  8  滑模控制下q轴跟踪电流及跟踪误差

    Figure  8.  Tracking current and tracking error at q-axis under sliding mode control

    图  9  模糊滑模控制下q轴跟踪电流及跟踪误差

    Figure  9.  Tracking current and tracking error at q-axis under fuzzy sliding mode control

    图  10  不同控制下的瞬时功率

    Figure  10.  Instantaneous power curves under different controls

    图  11  不同控制下规则波浪平均功率

    Figure  11.  Average power curves of regular waves under different controls

    图  12  不规则波浪波形及FFT分析频谱

    Figure  12.  Irregular wave waveform and FFT analysis of the spectrum

    图  13  不规则波浪波形及FFT分析波形对比

    Figure  13.  Comparison of irregular wave waveform and FFT analysis of the spectrum

    图  14  不规则波浪激励力和300倍速度的波形

    Figure  14.  Irregular wave excitation force and 300 times the speed of the waveform

    图  15  PID控制下q轴跟踪电流和误差

    Figure  15.  Tracking current and error at q-axis under PID control

    图  16  滑模控制下q轴跟踪电流和误差

    Figure  16.  Tracking current and error at q-axis under sliding mode control

    图  17  模糊滑模控制下q轴跟踪电流和误差

    Figure  17.  Tracking current and error at q-axis under fuzzy sliding mode control

    图  18  不规则波浪平均功率图

    Figure  18.  Average power curve of irregular waves

    表  1  输出${\boldsymbol{ \Delta}} {\boldsymbol{\varepsilon}} $模糊规则表

    Table  1.   Table of $ {\boldsymbol{\Delta}} {{\boldsymbol{\varepsilon}} } $ fuzzy rule

    $ \mathop {{s_n}}\limits^{\;.} $sn
    NBNMNSZOPSPMPB
    NBPBPBPBPBNMNSZO
    NMPBPBPBPMNSZOPS
    NSPBPBPMPSZOPSPM
    ZOPBPMPSZONSNMNB
    PSPMPSZONSNMNBNB
    PMPSZONSNMNBNBNB
    PBZONSNMNBNBNBNB
    下载: 导出CSV

    表  2  仿真参数设置

    Table  2.   Setting of simulation parameter

    变量取值变量取值
    d轴定子电感$ {L}_{d} $0.0114 H运动部件总质量M100 kg
    q轴定子电感$ {L}_{q} $0.0114 H附加质量m50 kg
    定子电阻r1 Ω阻尼系数$ {R}_{1} $210
    极对数n4浮力系数$ {K}_{1} $61.5
    极距$ \tau $0.05 m激励力幅值$ {F}_{m} $300 N
    永磁体磁链$ {\varphi }_{f} $0.52 Wb波浪频率$ \omega $0.5 π
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-03
  • 修回日期:  2023-11-23
  • 录用日期:  2023-12-13
  • 网络出版日期:  2024-01-15

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