基于模糊控制的海浪发电系统的制作方法

本发明涉及一种海浪发电技术领域，具体是指一种基于模糊控制的海浪发电系统。

背景技术：

随着社会和经济的不断发展，以及人口数量的急剧膨胀，人类所消耗的能源也在不断增加，但是，众所周知，整个地球的能源储备量是有限的。自1973年第一次石油危机以来，人们对可再生能源的开发和利用愈加重视。目前，开发利用可再生新能源，使自身的能源结构能够得到调整，以实现能源的可持续发展，满足人类对能源的需求，己经在世界各国达成共识。

海洋面积约占全球面积的70％，而根据联合国教科文组织出版的《海洋能开发》一文中统计，全球可开发的海洋能资源大约为7.7366*1015w，这些海洋能通常以波浪能、潮流能、温差能等形式存在于广阔的海洋之中，其中，海洋波浪能的可开发量可以达到3*1012w，国际能源组织(iae)1994年公布的报告预测：波浪能如果充分开发，最终可提供目前全球电力需要的10％左右。作为一种可再生的清洁能源，波浪能不仅分布广、储量大，同时具有较大的能流密度，只需要通过较小的装置就能提供可观的廉价能源(主要以电能为主)。波浪能的开发也可以为边远海域的国防、海洋开发、农业用电等活动提供帮助，有利于人类社会的可持续发展。

近几十年来，波浪能发电技术取得了快速发展，各种形式的波浪能发电装置层出不穷。振荡浮子式波浪能发电装置最早由一位日本研究者设计制造，利用浮子在波浪作用下的上下振荡，通过机械传动系统带动发电机发电。与风力发电和潮流能发电相似，目前国内外研究的振荡浮子式波浪能发电系统大多采用机械传动，少量采用液压传动。在采用机械传动的机组中，普遍存在齿轮箱故障率高、水下维修不方便、传动不稳、调速不变等问题，这些不足直接制约了波浪能设备的发展。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于模糊控制的海浪发电系统，其目的在于克服现有技术中的缺陷，采用模糊控制器，克服了机械传动以及传统液压传动发电系统的传动效率低、调速速度迟缓、不可稳定持续发电等不足之处，本发明提供了一种采用模糊控制的海浪发电机，实现传动平稳、调速方便、可持续稳定发电。

为了实现上述目的，本发明具有如下构成：

该基于模糊控制的海浪发电系统，包括机械动力装置、控制装置、发电装置、整流及储能装置；其中：

所述机械动力装置包括液压缸、浮子、连接杆和波浪板，所述连接杆分别与所述浮子和所述波浪板相连，所述液压缸的内部空间被波浪板分为上、下两个空间，每个空间内装有固定量的磁流变液，并分别与磁流变液管道相连；

所述控制装置包括磁流变液、磁流变液管道、控制模块、输电线路、欧姆龙编码器和电磁线圈，所述磁流变液存在于所述液压缸的内部以及所述磁流变液管道内，所述电磁线圈环绕在所述磁流变液管道上，并通过输电线路分别与所述控制模块及所述整流及储能装置相连，所述欧姆龙编码器与所述控制模块相连接；

所述发电装置包括液压马达和永磁同步发电机，所述液压马达与所述磁流变液管道相连，所述液压马达与所述永磁同步发电机同步相连，所述欧姆龙编码器检测所述永磁同步发电机的转速。

可选地，所述控制模块包括模糊控制器和电流驱动器，所述模糊控制器和所述电流驱动器相连接，所述电流驱动器通过输电线路与所述电磁线圈以及所述整流及储能装置相连。

可选地，所述整流与储能装置包括整流电路和储能模块，所述整流电路与所述永磁同步发电机相连，所述储能模块分别与所述电流驱动器和所述整流电路相连。

可选地，所述电流驱动器包括调整电路、电流取样电路、放大器电路、电流比较放大电路和辅助电源，所述调整电路的输出端与所述电流取样电路的输入端相连接，所述电流取样电路的输出端通过所述电流比较放大电路与所述放大器的输入端相连接，所述辅助电源与所述放大器的输入端和所述电流比较放大电路相连接，所述模糊控制器的输出端与所述电流比较放大电路的输入端相连接，所述电流取样电路的输出端分别与所述电流比较放大电路的输入端和所述电磁线圈相连接，所述调整电路的输入端与所述整流与储能装置相连接。

可选地，所述欧姆龙编码器将所述永磁同步发电机的转速与目标转速的偏差值和偏差变化量输入所述模糊控制器，所述模糊控制器输出对所述电磁线圈的控制信息至所述电流驱动器，所述电磁线圈通过改变磁场强度改变所述磁流变液的粘滞程度，从而通过改变所述液压马达的转速改变所述永磁同步发电机的转速。

可选地，所述海浪发电系统中，所述浮子在波浪上的垂荡运动满足如下方程：

其中：m为浮子质量，ffiud为波浪作用在浮子上的流体力，fpto为浮子受的液压阻尼力，g为重力加速度，z(t)为浮子在垂直方向的位移，t为浮子运动的时刻；

所述浮子的瞬时传输功率p(t)和一段时长δt内浮筒的平均传输功率p1分别为：

p(t)＝-fpto(t)v(t)

其中：fpto为浮子受到的瞬时液压阻尼力，v(t)为浮子的瞬时速度；

所述波浪板作用在液压缸上的作用力为：

f＝ffliud-(mg+m1g)

其中：m为浮子重量,m1为连接杆重量。

可选地，所述浮子捕获的波浪能，通过所述波浪板传递到所述液压缸，因此单个液压缸的功率方程为：

fv＝p0qv

其中：v为液压缸活塞的速度，p0为液压缸空腔处压力，qv为液压缸的体积输出流量；

所述液压马达的轴系的力矩平衡方程为：

其中：tm为液压马达的轴系力矩，g和dm分别为液压马达轴系上的飞轮重量和直径，nm为液压马达转速，bm为液压马达的轴系黏性阻尼系数，tg为发电机转矩；

所述永磁同步发电机的转矩关系为：

其中：tg为发电机转矩，p1为一段时长δt浮筒的平均传输功率，n1为发电机转速。

可选地，所述模糊控制器选取加速度为振幅为的正弦波；加速度作用于所述永磁同步发电机时，所述永磁同步发电机的转速控制在365～395转/分，额定转速380转/分为平衡点，则转速的论域为365～395，控制电流的论域为0～2a。

可选地，加速度和控制电流离散化为5个等级：vs(很小)、s(小)、m(中)、l(大)、vl(很大)，速度离散化为7个等级：nl(负大)、nm(负中)、ns(负小)、ze(零)、ps(正小)、pm(正中)、pl(正大)；

加速度、速度和控制电流的模糊集合分别为：a＝{vs、s、m、l、vl}；n＝{nl、nm、ns、ze、ps、pm、pl}；将加速度、转速和电流的模糊论域定为0～4、365～395和0～2。

记偏差的量化因子为ke，由偏差的基本论域和模糊论域的表示形式可以得到如下方程：

可选地，速度量化因子kn＝1；偏差变化率的量化因子为ka＝1；电流比例因子ki＝1。

采用了该发明中的基于模糊控制的海浪发电系统，采用磁流变液制作的磁流变阻尼器，在磁场的作用下，磁流变液可以在毫秒级的时间内快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的bingham的塑性固体，因此，此阻尼器具有能耗低、响应速度快、结构简单、阻尼力连续可调，并可方便地与微机控制结合；同时系统采用模糊控制技术，对于波浪能发电系统的这样一个时变性的动态系统，应用现代模糊控制技术，将根据影响因素的实际情况归纳的一些列的规则，存放在计算机中，利用模糊集合理论定量化，实现电磁线圈电流调节控制发电机转速的智能化运作，保护发电系统在坏天气下安全工作的同时实现可持续、稳定发电。

附图说明

图1为本发明的基于模糊控制的海浪发电系统的外部结构框图；

图2为本发明的基于模糊控制的海浪发电系统的整流装置的结构示意图；

图3为本发明的基于模糊控制的海浪发电系统的电流驱动器原理框图；

图4为图3中的电流驱动电路图；

图5为本发明的模糊控制器的原理图；

图6为本发明的模糊控制规则表；

图7为本发明的模糊推理结果生成模糊控制查询表。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于模糊控制的海浪发电系统，包括机械动力装置、控制装置10、发电装置、整流及储能装置；其中：

所述机械动力装置包括液压缸1、浮子2、连接杆3和波浪板4，所述控制装置10包括磁流变液、磁流变液管道5、控制模块、输电线路、欧姆龙编码器8和电磁线圈11，所述发电装置包括液压马达6和永磁同步发电机7，所述欧姆龙编码器8检测所述永磁同步发电机7的转速。

其机械动力装置中液压缸1被波浪板4分为上下两个空间，浮子2与波浪板4通过连接杆3相连；液压缸1分别与上下磁流变液管道5相连，磁流变液存在于液压缸1以及管道5内，磁流变液管道5与液压马达6连接，进而通过同轴杆连接到永磁同步发电机7，并在同步发电机上安装欧姆龙编码器8；通过输电线路将发电机7与整流及储能装置9连接，模糊控制装置10分别与储能装置9及电磁线圈11相连。储能装置9分别给欧姆龙编码器8以及模糊控制装置10、电磁线圈11供电。

所述液压马达选用bmr液压马达，由于其是一种轴配流马达，采用镶针齿定转子设计，启动压力低，效率较高，保持性好；并且具有可靠的轴密封设计，承受背压高，可以串并联使用，利于扩展使用；正反转换向方便、转速平稳；马达结构紧凑，安装方便。使用bmr液压马达将磁流变液体压力能转变为其输出轴的机械能(即转矩和转速)。

所述永磁同步发电机选用n35sh三相永磁同步交流发电机，其额定功率为2000w，额定转速为380转/分，工作温度为零下40℃-60℃；电机采用磁钢钕、铁、硼永磁体；定子采用高强，不易变形，优质冷轧硅钢片；绕组采用圆铜漆包线，经真空恒温热浸漆，提高了绝缘等级，提高了发电效率，降低发电机起动扭矩。发电机通过同轴杆另一边的液压马达输出的机械能，转换为电能输出，经过整流电路储存至储能装置。

所述欧姆龙编码器选用e6b2-cwz6cqmron编码器，使用dc5～24v宽范围供电方式，具有高至2000分辨率，高至100*3khz响应频率，允许最高转速达6000转/分，并有负载短路保护以及电源反接保护电路，工作环境温度范围为-10℃-+70℃，并且具有振动小，耐久性强，体积小，功耗低等优点。欧姆龙编码器将测得的发电机转速传输至模糊控制器，进行后续模糊处理。

参照图2，所述整流与储能装置9包括整流电路12、储能装置13，所述整流电路12与永磁同步发电机7相连，同时与储能装置13相连，发电机发出的三相交流电经过整流电路12成为直流电储存在储能装置13中；所述模糊控制装置10包括模糊控制器14、电流驱动器15，所述模糊控制器14与电磁线圈11相连，同时与电流驱动器15相连，所述电流驱动器15与储能装置13相连，进而给电磁线圈11提供电流。

所述整流电路选用三相不可控整流电路，电路简单、不使用需要控制电源进行换向的晶闸管，并且电容可以起到使直流侧电流连续的作用，使得电流可以平滑地输出。

参照图3，所述电流驱动器15包括调整电路、电流取样电路、放大器电路、电流比较放大、辅助电源，控制信号即模糊控制器14输出信号；模糊控制器14输出控制信号经过电流驱动电路输出直流电流进行电磁线圈11的控制，产生不同磁场强度的磁场，进而改变磁流变液粘滞程度，间接控制液压马达6转速，即控制永磁同步发电机7转速进行稳定持续发电。

参照图4，vcc+和vcc-是辅助电源提供的电压，l1和c1构成电流比较放大电路，l2、r1、r2、r3和r4构成放大电路，q1和q2组成调整电路，r6、r7、r8和r9组成电流取样电路，l和r10是电磁线圈简化的电感和电阻。工作原理是辅助电源为电流比较放大电路、放大电路、和调整电路提供工作电压，电流比较放大电路的输出端连接放大电路反向输入端，放大电路的输出端接调整电路，调整电路的输出连接电流取样电路，电流取样电路连接电流比较放大电路的反相输入端。另外，由模糊控制器产生的控制信号连接与电流取样电路相连的电位器，电位器的输出端连接电流比较放大电路的同相输入端。电流取样电路的输出端为电源的直流输出端。

在驱动电源中，电流比较放大电路的运算放大器的反相端电压高低反映了输出电流的大小，反相端电压是通过输出电流流过电流取样电路产生的电压降，当模糊控制器的控制电压改变时，比较放大电路同相输入端的基准值随之变化，运算放大器输出端电压相应变化，输出电压也会随之变化，电流取样电路的电压降变化，从而改变恒定的输出电流值。这样可以通过模糊控制来改变电流比较放大电路同相输入端的基准值来调节电流的变化。

参照图5，模糊控制装置10由模糊控制器14、电流驱动器15、电磁线圈11、欧姆龙编码器8组成；模糊控制器14输入为永磁同步发电机7转速与目标转速之间的偏差以及偏差变化量，输出为电磁线圈11的控制电流；控制电流作用在电磁线圈11上，产生磁场，来改变磁流变液的粘滞程度，进而改变液压马达6的转速，即改变永磁同步发电机7转速，进行持续稳定发电；欧姆龙编码器8检测永磁同步发电机7转速，与目标值比较后再输入到模糊控制器14中。

浮子在波浪的作用下，主要进行垂荡运动，水平运动可以忽略不计.根据牛顿第二定律，浮子在波浪上的垂荡运动满足如下一般方程：

式中：m为浮子质量，ffiud为波浪作用在浮子上的流体力，fpto为浮子受的液压阻尼力，g为重力加速度，z(t)为浮子在垂直方向的位移，t为浮子运动的时刻。

浮子瞬时传输功率p(t)和一段时长δt浮筒的平均传输功率p1分别为：

p(t)＝-fpto(t)v(t)

式中：fpto为浮子受到的瞬时液压阻尼力，v(t)为浮子的瞬时速度。

波浪板作用在液压缸上的作用力为：

f＝ff[[ud-(mg+m1g)

式中：m为浮子重量,m1为连接杆重量。

浮子捕获的波浪能，通过波浪板传递到横向液压缸，因此单个液压缸的功率方程为：

fy＝p0qv

式中：v为液压缸活塞的速度，p0为液压缸空腔处压力，qv为液压缸的体积输出流量。

液压马达轴系的力矩平衡方程为：

式中：tm为液压马达的轴系力矩，g和dm分别为液压马达轴系上的飞轮重量和直径，nm为液压马达转速，bm为液压马达的轴系黏性阻尼系数，tg为发电机转矩。

发电机转矩关系为：

式中：tg为发电机转矩，p1为一段时长δt浮筒的平均传输功率，n1为发电机转速。

常规二维模糊控制器的输入量为偏差和偏差的变化率。本控制器偏差信号为永磁同步发电机的转速，那么偏差信号的变化率就是加速度。选取加速度是振幅为的正弦波。加速度作用于发电机时，转速控制在365～395转/分，额定转速380转/分为平衡点，则转速的论域为365～395，控制电流的论域为0～2a。

加速度和控制电流离散化为5个等级：vs(很小)、s(小)、m(中)、l(大)、vl(很大)。速度离散化为7个等级：nl(负大)、nm(负中)、ns(负小)、ze(零)、ps(正小)、pm(正中)、pl(正大)。加速度、速度和电流的模糊集合分别为：a＝{vs、s、m、l、vl}；n＝{nl、nm、ns、ze、ps、pm、pl}；考虑到模糊计算的精度和简便，将加速度、转速和电流的模糊论域定为0～4、365～395和0～2。

记偏差的量化因子为ke，由偏差的基本论域和模糊论域的表示形式可以得到：

则本系统中速度量化因子kn＝1。

同理，记偏差变化率的量化因子为ka＝1；电流比例因子ki＝1。

本系统根据操作经验和变量的特性选取隶属度函数，考虑到计算的快捷性和控制的实时性，输入量以及输出量的隶属度函数均采用三角函数。基于对发电系统的动态分析，以及参考各种文献得到本系统的模糊控制规则查询图6中的表格。模糊推理结果生成模糊控制查询图7中的表格。

采用了该发明中的基于模糊控制的海浪发电系统，采用磁流变液制作的磁流变阻尼器，在磁场的作用下，磁流变液可以在毫秒级的时间内快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的bingham的塑性固体，因此，此阻尼器具有能耗低、响应速度快、结构简单、阻尼力连续可调，并可方便地与微机控制结合；同时系统采用模糊控制技术，对于波浪能发电系统的这样一个时变性的动态系统，应用现代模糊控制技术，将根据影响因素的实际情况归纳的一些列的规则，存放在计算机中，利用模糊集合理论定量化，实现电磁线圈电流调节控制发电机转速的智能化运作，保护发电系统在坏天气下安全工作的同时实现可持续、稳定发电。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。