基于磁流變阻尼器半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的漂浮式風(fēng)機(jī)減載方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁流變阻尼器半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的漂浮式風(fēng)機(jī)減載方法，包括步驟：1)對(duì)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得磁流變阻尼器的力?位移關(guān)系式；2)建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風(fēng)電機(jī)組多自由度結(jié)構(gòu)體系運(yùn)動(dòng)方程，并建立風(fēng)機(jī)和磁流變阻尼器的運(yùn)動(dòng)方程；3)通過LQR控制器和Fuzzy控制器對(duì)磁流變阻尼器進(jìn)行控制，以減小浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)俯仰角和機(jī)艙的縱向位移。本發(fā)明摒棄了在阻尼器結(jié)構(gòu)控制中被動(dòng)控制和主動(dòng)控制的缺點(diǎn)，控制所需外加能量很少、裝置簡(jiǎn)單、不易失穩(wěn)，能有效減小浮式風(fēng)電機(jī)組的總體載荷，并在一定程度上保證浮臺(tái)的平穩(wěn)，進(jìn)而能提高風(fēng)力機(jī)的使用壽命和輸出電能質(zhì)。
【專利說明】
基于磁流變阻尼器半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的漂浮式風(fēng)機(jī)減載方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種漂浮式風(fēng)力機(jī)組的減載 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身雖然能夠較大程度利用深海的風(fēng)能資源，但其外界 載荷條件比陸地上固定式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更加復(fù)雜，其原因是除了受到通常的風(fēng)載荷以外， 還受到浪的影響。同時(shí)相對(duì)固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)發(fā)電也有 很大的影響。由于風(fēng)和浪具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，環(huán)境載荷波動(dòng)會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組的載荷波動(dòng)變 化，使風(fēng)電機(jī)組輸出功率不穩(wěn)定。特別是風(fēng)和波浪引起的平臺(tái)和塔架的傾斜運(yùn)行，由于大慣 性和重力作用，大大增加風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)載荷，從而影響風(fēng)力機(jī)的使用壽命及輸出電能質(zhì)量。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中在載荷控制方面，更多的采用獨(dú)立變槳距控制和主動(dòng)阻尼、半主動(dòng)阻 尼和被動(dòng)阻尼控制的振動(dòng)能量耗散方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷進(jìn)行控制研究。但采用變槳減載控 制方法對(duì)受到較大波浪載荷作用的浮式風(fēng)電系統(tǒng)而言，其載荷控制無法滿足要求，同時(shí)也 犧牲了部分功率作為代價(jià)。而采用阻尼器結(jié)構(gòu)減載控制在較大波浪時(shí)具有更優(yōu)的性能。在 阻尼器結(jié)構(gòu)控制中，被動(dòng)結(jié)構(gòu)控制雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但其減載效果有限;主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制雖然減 載效果好，但其設(shè)計(jì)又過于復(fù)雜，且耗能高。半主動(dòng)阻尼控制繼承了兩者的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng) 用中更受到關(guān)注。其中磁流變阻尼器作為一種新型智能機(jī)械作動(dòng)器在半主動(dòng)阻尼控制中應(yīng) 用中開始受到廣泛關(guān)注，但其在風(fēng)電機(jī)組減載控制特別是漂浮式風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于磁流變阻尼器半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的漂浮式 風(fēng)機(jī)減載方法，以實(shí)現(xiàn)將磁流變阻尼器應(yīng)用于漂浮式風(fēng)電機(jī)組的載荷控制，解決在阻尼器 結(jié)構(gòu)控制中，主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制和被動(dòng)結(jié)構(gòu)控制所存在的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有效減小浮式風(fēng)電機(jī)組的 總體載荷，并在一定程度上保證浮臺(tái)的平穩(wěn)，進(jìn)而提高風(fēng)力機(jī)的使用壽命和輸出電能質(zhì)量。
[0005] 本發(fā)明基于磁流變阻尼器半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的漂浮式風(fēng)機(jī)減載方法，包括以下步 驟：
[0006] 1)對(duì)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得磁流變阻尼器的力-位移關(guān)系式：
[0008] 式中，F(xiàn)為磁流變阻尼力，Co為阻尼系數(shù)，^、為活塞相對(duì)缸體的位移，f。為庫侖力，f〇 為由補(bǔ)償器產(chǎn)生的摩擦力；
[0009] 2)建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風(fēng)電機(jī)組多自由度結(jié)構(gòu)體系運(yùn)動(dòng)方程，利用 Kane動(dòng)力學(xué)方程，分別建立風(fēng)機(jī)和磁流變阻尼器的運(yùn)動(dòng)方程：
[0012] 其中，0P表示浮臺(tái)偏離垂直平面的角度，0t表示塔架偏離垂直平面的角度;kP表示 Barge的彈性常數(shù)，kt表示塔架彈性常數(shù)，dP表示浮臺(tái)阻尼系數(shù)，dt表示塔架阻尼系數(shù)， XMR-TMD 表示阻尼器質(zhì)心到鉸鏈所在垂直面的距離，F(xiàn)MR-TMD為磁流變阻尼力；IP表示浮臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，It 表示塔架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;g表示重力加速度;mp表示浮臺(tái)質(zhì)量，mt表示塔架質(zhì)量，mMR-TMD表示磁流變 阻尼器的質(zhì)量;％表示浮臺(tái)質(zhì)心到鉸鏈的距離，Rt表示塔架質(zhì)心到鉸鏈的距離，Rmr-tmd表示阻 尼器質(zhì)心到鉸鏈的距離；
[0013] 3)通過LQR控制器和Fuzzy控制器對(duì)磁流變阻尼器進(jìn)行控制，首先利用LQR控制器 計(jì)算最優(yōu)控制力向量U;然后根據(jù)磁流變阻尼器本身的控制力范圍及最優(yōu)控制力向量U，得 到期望控制力U d;最后利用Fuzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流使磁流變阻尼器能夠跟 蹤期望控制力，以減小浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)俯仰角和機(jī)艙的縱向位移。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] 本發(fā)明基于磁流變阻尼器半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的漂浮式風(fēng)機(jī)減載方法，其摒棄了在阻 尼器結(jié)構(gòu)控制中被動(dòng)控制和主動(dòng)控制的缺點(diǎn)，控制所需外加能量很少、裝置簡(jiǎn)單、不易失 穩(wěn)，能有效減小浮式風(fēng)電機(jī)組的總體載荷，并在一定程度上保證浮臺(tái)的平穩(wěn)，進(jìn)而能提高風(fēng) 力機(jī)的使用壽命和輸出電能質(zhì)。
【附圖說明】
[0016] 圖1為配置磁流變阻尼器的barge結(jié)構(gòu)的漂浮式風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖中：1-磁流變阻 尼器，2-浮臺(tái)，3-塔架，4-海平面；
[0017]圖2為賓漢(Bingham)結(jié)構(gòu)圖，圖中F為磁流變阻尼力、C為阻尼系數(shù)、f為庫侖力； [0018]圖3為配置磁流變阻尼器的控制結(jié)構(gòu)圖，圖中模糊控制器即Fuzzy控制器；
[0019] 圖4為風(fēng)載荷及波浪載荷；
[0020] 圖5為機(jī)艙縱向位移控制效果圖，圖中的MR-TMD即磁流變阻尼器；
[0021] 圖6為浮式平臺(tái)俯仰角控制效果圖，圖中的MR-TMD即磁流變阻尼器。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0023] 如圖所示，本實(shí)施例基于磁流變阻尼器半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的漂浮式風(fēng)機(jī)減載方法， 包括以下步驟：
[0024] 1)對(duì)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得磁流變阻尼器的力-位移關(guān)系式：
[0026] 式中，F(xiàn)為磁流變阻尼力，Co為阻尼系數(shù)，^為活塞相對(duì)缸體的位移，f。為庫侖力，fo 為由補(bǔ)償器產(chǎn)生的摩擦力；
[0027] 2)建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風(fēng)電機(jī)組多自由度結(jié)構(gòu)體系運(yùn)動(dòng)方程，利用 Kane動(dòng)力學(xué)方程，分別建立風(fēng)機(jī)和磁流變阻尼器的運(yùn)動(dòng)方程：
[0030] 其中，0P表示浮臺(tái)偏離垂直平面的角度，0t表示塔架偏離垂直平面的角度；kP表示 Barge的彈性常數(shù)，kt表示塔架彈性常數(shù)，dP表示浮臺(tái)阻尼系數(shù)，dt表示塔架阻尼系數(shù); XMR-TMD 表示阻尼器質(zhì)心到鉸鏈所在垂直面的距離;FMR-TMD為磁流變阻尼力；IP表示浮臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，It 表示塔架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;g表示重力加速度;mp表示浮臺(tái)質(zhì)量，mt表示塔架質(zhì)量，himr-tmd表示磁流變 阻尼器的質(zhì)量;％表示浮臺(tái)質(zhì)心到鉸鏈的距離，Rt表示塔架質(zhì)心到鉸鏈的距離，Rmr-tmd表示阻 尼器質(zhì)心到鉸鏈的距離；
[0031] 3)通過LQR控制器和Fuzzy控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)磁流變阻尼器進(jìn)行控制，具體控制過程 為:首先利用LQR控制器計(jì)算最優(yōu)控制力向量U;然后根據(jù)磁流變阻尼器本身的控制力范圍 及最優(yōu)控制力向量U，得到期望控制力Ud;最后利用Fuzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流 使磁流變阻尼器能夠跟蹤期望控制力，以減小浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)俯仰角和機(jī)艙的縱向位移。
[0032] 在步驟1)中，對(duì)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，具體過程為：
[0033] 建立磁流變阻尼器的力學(xué)模型，采用賓漢流體模型(Bingham模型），其結(jié)構(gòu)圖如圖 ? ? 2所;其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：r二$ 1：/+ r v 式中，為7剪應(yīng)力;^為流體的動(dòng)力粘 滯系數(shù)^為剪切應(yīng)變速率;Ty為磁流變液的屈服剪應(yīng)力;sgn 〇表示符號(hào)函數(shù)；
[0034]磁流變阻尼器力-位移關(guān)系式為：f' = 式中，磁流變 阻尼力，Co為阻尼系數(shù)，^為活塞相對(duì)缸體的位移，f。為庫侖力，為由補(bǔ)償器產(chǎn)生的摩擦 力，可以忽略不計(jì)；其中：
式中，L為活塞長度;AP為活塞的有 效面積;D為缸體內(nèi)徑;h為縫隙間距。
[0035] 通過研究可知控制電流I和磁流變液的屈服剪應(yīng)力Ty之間的關(guān)系為：Ty = Aie4+ A2ln(I+e)+A3I，式中，Ai、A2和A3是磁流變體性能相關(guān)系數(shù);e為自然數(shù)。
[0036] 由前述分析和公式可知，磁流變阻尼器的控制力可以通過改變輸入電流的方式來 改變大小，電流的改變引起磁流變阻尼器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生阻尼力。
[0037] 在步驟2)中，建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風(fēng)電機(jī)組多自由度結(jié)構(gòu)體系運(yùn)動(dòng) 方程，
[0038] 對(duì)于包含P個(gè)廣義坐標(biāo)系的風(fēng)力發(fā)電整機(jī)系統(tǒng)，方程G 2,…，P ) 給出了利用Kane動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，其中Fi表示每個(gè)自由度的廣義驅(qū)動(dòng)力， 表示每個(gè)自由度的廣義慣性力。
[0039] 廣義驅(qū)動(dòng)力Fi和廣義慣性力由如下方程表示：
[0042] 其中，W表示剛體數(shù)量，Nr表示參考坐標(biāo)系，mr表示質(zhì)量，X r為質(zhì)量中心位置，F(xiàn)1'?'表 示Xr處的驅(qū)動(dòng)力，表示Xr處的力矩，表示質(zhì)量中心處加速度，表示剛體在 質(zhì)量中心點(diǎn)角動(dòng)量的一階導(dǎo)數(shù)，表示質(zhì)量中心點(diǎn)的速度，為角速度。
[0043] 由于側(cè)向搖擺的疲勞載荷相對(duì)前后搖擺的疲勞載荷較小，因此，本發(fā)明只考慮浮 式基礎(chǔ)的前后搖擺模式以及系統(tǒng)載荷。配置了 MR-TMD后，風(fēng)機(jī)在原有模型中耦合了新的自 由度，圖1給出了耦合縱向自由度的風(fēng)機(jī)模型。耦合模型多了與MR-TMD相關(guān)的驅(qū)動(dòng)力和慣性 力。
[0044] 浮臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方程為：
[0045] 塔架的運(yùn)動(dòng)方程為： 4 民貧-'s h …、七…氣s.卜''戶泌
[0046] 磁流變阻尼器的運(yùn)動(dòng)方程為： mMR、~爾入跡'纖廠'[織~.觀> +欲織-纖遂A
[0047]上述三個(gè)方程中，0P表示浮臺(tái)偏離垂直平面的角度，0t表示塔架偏離垂直平面的角 度;kP表示Barge的彈性常數(shù)，kt表示塔架彈性常數(shù)，dP表示浮臺(tái)阻尼系數(shù)，d t表示塔架阻尼 系數(shù)，XMR-TMD表示阻尼器質(zhì)心到鉸鏈所在垂直面的距離，F(xiàn)MR- TMD為磁流變阻尼力^表示浮臺(tái) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，It表示塔架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；g表示重力加速度;mp表示浮臺(tái)質(zhì)量，m t表示塔架質(zhì)量， mMR-TMD表示磁流變阻尼器的質(zhì)量;心表示浮臺(tái)質(zhì)心到鉸鏈的距離，Rt表示塔架質(zhì)心到鉸鏈的 距離，Rmr-tmd表示阻尼器質(zhì)心到鉸鏈的距離。進(jìn)而可得到具有如下形式的系統(tǒng)矩陣狀態(tài)方 程：i二AM/+F矩陣輸出方程為:Y = CX+DU，其中，X為狀態(tài)向量;U為控制輸入向量； F是力向量;A為系統(tǒng)矩陣;B為輸入矩陣;C為輸出矩陣;D為傳遞矩陣。
[0048] 在步驟3中，通過LQR控制器和Fuzzy控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)磁流變阻尼器的控制，控制系統(tǒng) 的反饋信號(hào)為機(jī)艙前后搖擺位移和浮臺(tái)俯仰角，要達(dá)到的控制效果是使機(jī)艙縱向位移和浮 臺(tái)俯仰角最小，加入磁流變阻尼器、LQR控制器和Fuzzy控制器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所 示;實(shí)現(xiàn)方式如下：
[0049] 第一，利用LQR控制器計(jì)算最優(yōu)控制力向量U，LQR的求解過程主要有3個(gè)步驟:首先建 立系統(tǒng)的狀態(tài)方程;其次提出控制目標(biāo)并選取加權(quán)系數(shù);最后應(yīng)用控制理論求解得到所設(shè)目標(biāo) 下的最優(yōu)控制律。LQR控制問題的目標(biāo)性能函數(shù)定義為:/ =廠{1%￥ + 其中，Q為狀態(tài)變量加權(quán)矩陣;R為控制變量加權(quán)矩陣;N為狀態(tài)變量和控制變量交叉項(xiàng)的加 權(quán)矩陣。
[0050] 最優(yōu)控制問題的求解可轉(zhuǎn)化為下述Riccati方程的求解:AP+PAT-roR-^Tp+QzO， 可求得P，從而得到控制器增益矩陣為:GzIT 1 (NT+BTP)，并最終得到最優(yōu)控制力:U=-GX。
[0051] 第二，根據(jù)磁流變阻尼器本身的控制力范圍及最優(yōu)控制力向量U，得到期望控制力 Ud，所述Ud通過力限制器算法：
[0053] 計(jì)算得到，其中，fdymi4Pfdymax分別是磁流變阻尼器的最小阻尼力和最大阻尼力。 [0054] 第三，利用Fuzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流使磁流變阻尼器能夠跟蹤期望 控制力，以減小浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)俯仰角和機(jī)艙的縱向位移；
[0055]控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)為機(jī)艙前后搖擺位移和浮臺(tái)俯仰角，反饋信號(hào)輸入kalman濾 波器得到所需的估計(jì)狀態(tài)后再輸入LQR控制器，通過LQR控制器和力限制器算法獲得的期望 控制力Ud信號(hào)輸入模糊控制器，F(xiàn)uzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流使磁流變阻尼器能 夠跟蹤期望控制力，以減小浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)俯仰角和機(jī)艙的縱向位移。期望控制力的輸入 范圍限定在[-12,12]之間，通過量化因子KF對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行歸一化處理。定義7個(gè)語言變 量，為{呢，匪，吧及#，？1^8}，分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。輸入隸 屬函數(shù)度采用高斯函數(shù)，模糊控制器的輸出選取為控制電流，輸出的范圍限定在[0, 10]之 間，定義4個(gè)語言變量，為{2￡，3，，8}，分別表示零、小、中和大，輸出隸屬度函數(shù)采用三角函 數(shù)。下表為模糊規(guī)則圖庫：
[0057]~對(duì)于磁流變阻尼器，輸入電流越大，阻尼器輸出的阻尼力越大，根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)，得到 如上表所示的模糊控制規(guī)則庫。模糊推理釆用mamdani推理方法，去模糊化釆用min-max重 心法。
[0058] 本實(shí)施例基于磁流變阻尼器半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的漂浮式風(fēng)機(jī)減載方法，其摒棄了在 阻尼器結(jié)構(gòu)控制中被動(dòng)控制和主動(dòng)控制的缺點(diǎn)，控制所需外加能量很少、裝置簡(jiǎn)單、不易失 穩(wěn)，能有效減小浮式風(fēng)電機(jī)組的總體載荷，并在一定程度上保證浮臺(tái)的平穩(wěn)，進(jìn)而能提高風(fēng) 力機(jī)的使用壽命和輸出電能質(zhì)。
[0059] 最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于磁流變阻尼器半主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制的漂浮式風(fēng)機(jī)減載方法，其特征在于:包括 以下步驟： 1) 對(duì)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得磁流變阻尼器的力-位移關(guān)系式：式中，F(xiàn)為磁流變阻尼力，Co為阻尼系數(shù)，^為活塞 相對(duì)缸體的位移，f。為庫侖力，fo為由補(bǔ)償器產(chǎn)生的摩擦力； 2) 建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風(fēng)電機(jī)組多自由度結(jié)構(gòu)體系運(yùn)動(dòng)方程，利用Kane 動(dòng)力學(xué)方程，分別建立風(fēng)機(jī)和磁流變阻尼器的運(yùn)動(dòng)方程：其中，θρ表示浮臺(tái)偏離垂直平面的角度，0t表示塔架偏離垂直平面的角度;kP表示Barge 的彈性常數(shù)，kt表示塔架彈性常數(shù)，dP表示浮臺(tái)阻尼系數(shù)，dt表示塔架阻尼系數(shù); XMR-TMD表示 阻尼器質(zhì)心到鉸鏈所在垂直面的距離;Fmr-tmd為磁流變阻尼力；I p表示浮臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，It表示 塔架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;g表示重力加速度;Hlp表示浮臺(tái)質(zhì)量，Hl t表示塔架質(zhì)量，IHMR-TMD表示磁流變阻尼 器的質(zhì)量;私表示浮臺(tái)質(zhì)心到鉸鏈的距離，Rt表示塔架質(zhì)心到鉸鏈的距離，Rmr-TMD表示磁流變 阻尼器質(zhì)心到鉸鏈的距離； 3) 通過LQR控制器和Fuzzy控制器對(duì)磁流變阻尼器進(jìn)行控制，首先利用LQR控制器計(jì)算 最優(yōu)控制力向量U;然后根據(jù)磁流變阻尼器本身的控制力范圍及最優(yōu)控制力向量U，得到期 望控制力U d;最后利用Fuzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流使磁流變阻尼器能夠跟蹤期 望控制力，以減小浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)俯仰角和機(jī)艙的縱向位移。
【文檔編號(hào)】G06Q50/06GK105930938SQ201610307189
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】王磊, 張虎, 蔡明 , 沈濤, 陳柳
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)