ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ LQ-КОНТРОЛЛЕРА НА ОСНОВЕ ОПТИМАЛЬНОГО НАБЛЮДАТЕЛЯ ВОЗМУЩЕНИЯ ВЫСОКОГО ПОРЯДКА В СРАВНЕНИИ С КЛАССИЧЕСКИМИ PI-РЕГУЛЯТОРАМИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ
DOI:
https://doi.org/10.52167/1609-1817-2025-141-6-90-111Ключевые слова:
системы преобразования ветровой энергии (СПЭВ), LQ-контроллер, оптимальный наблюдатель возмущении высокого порядка (HOODO), активное управление с подавлением возмущений (ADRC), PI-регулятор, наблюдатель возмущений (DO)Аннотация
Настоящая работа посвящена исследованию комбинированной системы управления для ветроэнергетических установок, ядро которой составляет синтез линейно-квадратичного регулятора (LQR) и оптимального наблюдателя возмущений высокого порядка (High-Order Optimal Disturbance Observer, HOODO). С целью верификации эффективности подхода (LQR-HOODO) проведён сравнительный анализ с рядом современных методов наблюдения и управления, а именно: с расширенным наблюдателем состояния (Extended State Observer, ESO) и классическим наблюдателем возмущений (Disturbance Observer, DO). Результаты комплексного имитационного моделирования демонстрируют, что связка LQR-HOODO обеспечивает статистически значимое превосходство по точности отслеживания заданного режима и оценки возмущений в сравнении с альтернативными стратегиями, такими как управление с активным подавлением возмущений (Active Disturbance Rejection Control, ADRC) и каскадная система на базе PI-регулятора с компенсацией возмущений через DO (PI-DO). Отдельным направлением исследования стала оценка робастности синтезированной системы LQR-HOODO к параметрической неопределённости объекта управления. Для этого была выполнена серия вычислительных экспериментов с вариацией электрических и механических параметров модели синхронного генератора с постоянными магнитами (СГПМ). Полученные данные свидетельствуют о сохранении высоких показателей качества переходных процессов и статической точности при отклонениях параметров модели от номинальных значений, что подтверждает устойчивость исследуемого алгоритма к изменениям параметров объекта. Все симуляции выполняются в программном обеспечении MATLAB/Simulink.
Библиографические ссылки
[1] Liao M., Dong L., Jin L., Wang S., Study on Rotational Speed Feedback Torque Control for Wind Turbine Generator System. 2009 International Conference on Energy and Environment Technology 2009; 1:853–856.
[2] Taghinezhad J., Mahmoodi E., Masdari M., Alimardani R., Spectral Analyses of an Optimized Ducted Wind Turbine using Hot-Wire Anemometry. 7th Iran Wind Energy Conference (IWEC2021) 2021: 1–4.
[3] Yin Y., Liao M., Lyu P., The dynamic stability analysis of wind turbines under different control strategies. 2015 5th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT) 2015: 2581–2586.
[4] Shi G., Zhang J., Cai X., Zhu M., Decoupling control of series-connected DC wind turbines with energy storage system for offshore DC wind farm. 2016 IEEE 7th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG) 2016: 1–6.
[5] Li Y., Zheng Y., Zhu N., Zhao F., Wind Turbine Kinetic Energy Accumulation and Release Regulation for Wind Farm Optimization. 2019 4th International Conference on Mechanical, Control and Computer Engineering (ICMCCE) 2019: 231–235.
[6] Qazaq-Green, Green Energy Information Portal: https://qazaqgreen.com/en/journal-qazaqgreen/international-experience/2997/, 2025.
[7] Yingcheng X., Nengling T., System frequency regulation in doubly fed induction generators, Int. J. Electr. Power Energy Syst. 43 (1) (2012) 977–983.
[8] Narayana M., Sunderland K. M., Putrus G., and Conlon M. F., “Adaptive linear prediction for optimal control of wind turbines,” Renewable Energy, vol. 113, pp. 895–906, 2017.
[9] Qais H., Hasanien M., Saad A., A novel LMSRE-based adaptive PI control scheme for grid-integrated ТМСГ-based variable-speed wind turbine, Int J Electr Power Energy Syst, 125 (2022).
[10] Tan J.D., Koh S.P., Au M.T., Tiong S.K., Ali K., Implementation of voltage optimization for sustainable energy Indonesian J Electr Eng Comput Sci, 12 (2018).
[11] Yaramasu V., Wu B., Basics of wind energy conversion system. Model Predictive Control of Wind Energy Conversion Systems, John Wiley & Sons, 2016, pp. 1–467.
[12] Sh. Li, J. Yang, W.-H. Chen, Chen X., 2014, Disturbance Observer-Based Control. Methods and Applications, London, CRC Press.
[13] Kashaganova A., Suleimenov K., Sagnaeva S., Do T. D., Maximum power tracking for wind energy conversion systems via a high-order optimal disturbance observer-based LQR without a wind speed sensor. Engineering Science and Technology, an International Journal 45, 2023.
[14] Gao Zh., Scaling and bandwidth-parameterization based controller tuning. In Proceedings of the 2003 American Control Conference, pages 4989–4996, 2003.
[15] Gao Zh., Active disturbance rejection control: A paradigm shift in feedback control system design. In Proceedings of the 2006 American Control Conference, pages 2399–2405, 2006.
[16] Gao Zh., Huang Y., and Han J., An alternative paradigm for control system design. In Proceedings of the 40th IEEE Conference on Decision and Control, 2001.
[17] Han J., From PID to active disturbance rejection control. IEEE Transactions on Industrial Electronics, no. 56(3), pp. 900–906, 2009.
[18] Mamun A. A., Mostafizur Rahman M., Hosen A., Akter S., and Rahman M. M., “Improved Load Frequency Control Of TwoArea Power System,” International Conference on Advances in Science, Engineering and Robotics Technology (ICASERT), pp. 1–5, May 2019.
[19] Rahman M. M., Chowdhury A. H., and Hossain M. A., “Improved Load Frequency Control Using a Fast Acting Active Disturbance Rejection Controller,” Energies, vol. 10, no. 11, Art. no. 11, Nov. 2017.
[20] Miklosovic R. and Gao Z., “A robust two-degree-of-freedom control design technique and its practical application,” in Conference Record of the 2004 IEEE Industry Applications Conference, 2004. 39th IAS Annual Meeting., Oct. 2004, vol. 3, pp. 1495–1502 vol.3.
[21] Profeta J., Vogt W. and Mickle M.,”Disturbance Estimation and Compensation in Linear Systems”, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst. , Vol. 26, No. 2, 1990, pp. 225-231.
[22] Ohishi K., Nakao M., and Miyachi K.,”Microprocessor-controlled DC motor for load-insensitive position servo system”, IEEE Trans. Ind. Electron. , Vol. IE-34, Issue. 1, 1987, pp. 44-49.
[23] Schrijver E. and Dijk J.V.,”Disturbance observers for rigid mechanical systems: Equivalence, stability, and design”, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 124, No. 4, 2002. pp. 539- 548.
[24] Luna L. and Garrido R., "On the equivalence between P-DOB and set point weighted PI controllers for velocity control of servodrives under load disturbances," 2018 XX Congreso Mexicano de Robótica (COMRob), Ensenada, Mexico, 2018, pp. 1-6.
[25] Kwon S. and Chung W.K., ”A Discrete-Time Design and Analysis of Perturbation Observer for Motion Control Applications”, IEEE Trans. Control Syst. Technol. , Vol. 11, No. 3, 2003, pp. 399-407.
[26] Errouissi R., Al-Durra A., Debouza M., A novel design of PI current controller for ТМСГ-based wind turbine considering transient performance specifications and control saturation, IEEE Trans. Ind. Electron. 65 (11) (2018) 8624–8634.
[27] Aguilar O., Tapia R., Valderrabano H., Minor H., Design and performance comparison of pi and adaptive current controllers for a ЖЭТЖ, IEEE Lat. Am. Trans. 13 (5) (2015) 1361–1368.
[28] Aguilar-Orduña M.A., Zurita-Bustamante E.W., Sira-Ramírez H., Gao Z., Disturbance Observer Based Control Design via Active Disturbance Rejection Control: A PMSM Example, IFAC-PapersOnLine, Volume 53, Issue 2, 2020, Pages 1343-1348.
[29] Dai C., Guo T., Yang J. and Li S., "A Disturbance Observer-Based Current-Constrained Controller for Speed Regulation of PMSM Systems Subject to Unmatched Disturbances," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 1, pp. 767-775, Jan. 2021.
[30] Liang X., Yao Zh., Ge Y., Yao J., Disturbance observer based actor-critic learning control for uncertain nonlinear systems, Chinese Journal of Aeronautics, Volume 36, Issue 11, 2023, Pages 271-280.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Категории
Лицензия
Copyright (c) 2026 Altynay Kashaganova, Сауле Сагнаева
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
