基于單神經(jīng)元pid的變速變槳風(fēng)力機(jī)葉片載荷控制

基于單神經(jīng)元pid的變速變槳風(fēng)力機(jī)葉片載荷控制

0風(fēng)力機(jī)載荷控制仿真建模隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的發(fā)展，對(duì)發(fā)展趨勢(shì)和系統(tǒng)性能的要求越來越高。葉片是展向長(zhǎng)、弦向短的細(xì)長(zhǎng)體,柔性較好,容易產(chǎn)生振動(dòng)。風(fēng)在時(shí)間和空間上具有多變性,使得風(fēng)力機(jī)的受力非常復(fù)雜。外力以及振動(dòng)變形作用會(huì)產(chǎn)生動(dòng)載荷,容易造成風(fēng)力機(jī)失效,減小風(fēng)力機(jī)載荷就成了亟待解決的問題之一~。經(jīng)過學(xué)者們的努力,在風(fēng)力機(jī)載荷控制方面取得了一些成果。文獻(xiàn),從閉環(huán)的角度分析風(fēng)力機(jī)載荷,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、魯棒控制等先進(jìn)控制理論用于減小風(fēng)力機(jī)載荷;文獻(xiàn)在變槳系統(tǒng)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制過程中,考慮了減小塔架的振動(dòng)載荷;文獻(xiàn)采用多元輸入方式,對(duì)風(fēng)力機(jī)載荷進(jìn)行控制,根據(jù)載荷控制重點(diǎn),可以選擇不同的參數(shù)建立控制方程,考慮的參數(shù)越多,對(duì)系統(tǒng)的描述越詳細(xì),但控制越復(fù)雜,因此需要選擇適當(dāng)?shù)膮?shù),既能表達(dá)系統(tǒng),又利于控制設(shè)計(jì);文獻(xiàn)通過對(duì)Bladed軟件的二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩環(huán)間的解耦控制,并降低了風(fēng)力機(jī)的疲勞載荷。在額定風(fēng)速以上時(shí),采用變槳變速的方式對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行功率控制。在此過程中,由于變槳的實(shí)質(zhì)就是改變?nèi)~片的攻角,因此葉片載荷會(huì)發(fā)生變化,并且隨著風(fēng)速的變化,葉片所受的載荷更加復(fù)雜,基于此提出將葉片載荷分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩部分。單神經(jīng)元PID控制器具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力,能夠?qū)崿F(xiàn)控制器參數(shù)的在線調(diào)節(jié),因此通過單神經(jīng)元PID控制器控制靜態(tài)載荷狀態(tài)下的變槳角度。在計(jì)算動(dòng)態(tài)載荷時(shí),通過多葉片坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系參數(shù)轉(zhuǎn)換為固定坐標(biāo)系參數(shù),再將力矩轉(zhuǎn)換為槳距角,然后通過坐標(biāo)逆變換將得到的參數(shù)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的參數(shù)。最后將動(dòng)態(tài)部分的參數(shù)值和靜態(tài)部分的單神經(jīng)元PID控制器的輸出槳距角相加,一起構(gòu)成風(fēng)力機(jī)變槳所需的控制值。Bladed軟件是專業(yè)的風(fēng)力機(jī)載荷分析數(shù)據(jù)包,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)載荷和功率等的控制仿真,更重要的是能夠?qū)刂破鬟M(jìn)行二次開發(fā)。借助Bladed軟件的二次開發(fā)功能,對(duì)提出的葉片載荷控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。1變量變量差動(dòng)力機(jī)的靜態(tài)載荷由單開軸pid控制1.1變槳角度對(duì)功率分配的影響當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速時(shí),如不進(jìn)行主動(dòng)控制,風(fēng)機(jī)將通過葉片自身空氣動(dòng)力特性對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié),但這種方法多用于小型風(fēng)機(jī)。對(duì)于大型風(fēng)機(jī)而言,常通過調(diào)節(jié)變槳角度使其輸出功率保持在額定值。不考慮風(fēng)機(jī)的剛度、阻尼等參數(shù)時(shí),風(fēng)力機(jī)變槳系統(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中:ω觶為角加速度;J為風(fēng)輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;T為實(shí)際轉(zhuǎn)矩值;Te′為轉(zhuǎn)矩等效值;θ觶為實(shí)際變槳角度加速度;tins為變槳機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù);θc為變槳角度給定值;θ為變槳角度實(shí)際值。實(shí)際轉(zhuǎn)矩可由式(2)計(jì)算得到:式中:λ為葉尖速比;ρ為空氣密度;S為風(fēng)輪掃掠面積;Cp為能量轉(zhuǎn)換系數(shù);R為風(fēng)輪半徑;v為風(fēng)速。1.2單元單觸發(fā)矩陣pid管理系統(tǒng)1.2.1槳距控制和轉(zhuǎn)速在變槳控制過程中,當(dāng)風(fēng)機(jī)實(shí)際功率高于額定功率時(shí),將偏差作為控制輸入,經(jīng)過PID調(diào)節(jié),使風(fēng)力機(jī)輸出功率等于額定值。由于變槳過程就是改變?nèi)~片的攻角,即改變了葉片的受力情況,因此需要對(duì)葉片載荷進(jìn)行控制。將葉片載荷分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩部分,PID控制器需要輸出的是控制靜態(tài)載荷所需的槳距角。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能跳變,以轉(zhuǎn)速Ω為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到的值即為靜態(tài)槳距角θs。槳距角控制框圖如圖1所示。1.2.2單神經(jīng)元自適應(yīng)pid控制器單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法為式中:ηP,ηI,ηD分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率;e(k)為偏差;u(k)為控制對(duì)象輸出;z(k)為偏差。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),但其參數(shù)整定較復(fù)雜。單神經(jīng)元具有自適應(yīng)能力,通過選擇學(xué)習(xí)規(guī)則改變學(xué)習(xí)速率,實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。變槳系統(tǒng)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在控制器設(shè)計(jì)過程中,權(quán)系數(shù)的調(diào)整決定了控制器的控制性能。因此,將學(xué)習(xí)速率設(shè)定為不同的值,通過這種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)權(quán)系數(shù)的區(qū)別控制。在整個(gè)過程中,由于Δe(k)與PID參數(shù)調(diào)節(jié)關(guān)系密切,因此,應(yīng)充分考慮其作用。對(duì)式(3)做改進(jìn),得到式(5):式中:Δe(k)=e(k)-e(k-1);z(k)=e(k)。2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與風(fēng)輪固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換葉片受湍流、塔影效應(yīng)、變槳等多種因素作用,除受靜態(tài)載荷作用外,還受動(dòng)態(tài)載荷作用,故引入多葉片坐標(biāo)變換這個(gè)概念。多葉片坐標(biāo)變換采用映射的方式將旋轉(zhuǎn)的葉片所處的周期參考系轉(zhuǎn)換到固定參考系,將葉片的周期特性消除,簡(jiǎn)化葉片受力的分析過程。定義多葉片坐標(biāo)變換矩陣為式中:ψi為葉片i的方位角。多葉片坐標(biāo)變換逆矩陣為根據(jù)式(6),葉片旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和風(fēng)輪固定坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系用式(8)表示:式中:Mzi為葉片拍打力矩,是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系參數(shù);Mgzi為固定坐標(biāo)系參數(shù)。研究表明,忽略剪切力、張力以及變槳時(shí)葉片在輪轂中心產(chǎn)生的力矩等影響,式(8)中的Mgz2和Mgz3與葉片根部的傾斜力矩和偏航力矩的關(guān)系可用下式表達(dá):式中:Mtilt為葉片根部的傾斜力矩;Myaw為葉片的偏航力矩。式中:hc,kc為增益系數(shù);為因.子系數(shù);R為葉輪半徑;x1為塔頂前后振動(dòng)偏移;x1為塔頂前后振動(dòng)速度;θig為固定坐標(biāo)系槳距角;δ為增量;uig為控制變量。由式(8)~(11)可以求得固定坐標(biāo)系中的變槳角度。得到固定坐標(biāo)系中的變槳角度后,根據(jù)多葉片坐標(biāo)逆變換將固定坐標(biāo)系中的槳矩角轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的值。固定坐標(biāo)系中的變槳角度與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的變槳角度關(guān)系可用式(12)表示:式中:θi為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系槳距角。將上述的槳矩角靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量相加,就可得到系統(tǒng)的實(shí)際槳矩角調(diào)節(jié)值。3外部控制器測(cè)試與分析Bladed是通過國際認(rèn)證的風(fēng)力機(jī)專業(yè)軟件包,廣泛用于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)分析。根據(jù)上述的控制策略,設(shè)計(jì)Bladed外部控制器,外部控制器和軟件內(nèi)置程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,并對(duì)外部控制器和內(nèi)置控制器的控制性能進(jìn)行比較。采用某2MW變速變槳風(fēng)力機(jī)模型進(jìn)行仿真研究。風(fēng)力機(jī)參數(shù):風(fēng)輪轉(zhuǎn)子半徑為38.7m,切入風(fēng)速為3.8m/s,切出風(fēng)速為24m/s,額定風(fēng)速為11.5m/s,空氣密度為1.225kg/m3,額定功率為2MW。為驗(yàn)證控制策略的正確性,選擇動(dòng)態(tài)變化的湍流風(fēng)模型為輸入量(圖3)。從圖4可以看出,在整個(gè)風(fēng)速變化區(qū)域,采用外部控制器可有效降低葉片扭矩。圖5比較了葉片拍打力矩的變化情況,圖5表明,即使存在湍流,葉片的拍打力矩也能夠得到較好的控制。外部控制器的控制性能優(yōu)于內(nèi)部控制器,本文提出的葉片載荷控制策略得到了有力的驗(yàn)證。4槳葉的動(dòng)態(tài)分量控制風(fēng)力機(jī)變槳過程中的受力情況復(fù)雜,分析發(fā)現(xiàn),變槳角度可以分解為靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量。基于此,采用改進(jìn)單神經(jīng)元PID控制器調(diào)節(jié)槳距角靜態(tài)分量,采用