[发明专利]一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的控制方法，其特征在于，所述带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统包括：带有尾缘襟翼的风力机叶片、传感器模块、转矩观测器和控制系统；

带有尾缘襟翼的风力机叶片包括：腹板、3个变襟翼电机、3个主动轴、3个从动轴、3个传动带、3个尾缘襟翼和3个变桨距电机；

传感器模块包括：3个分别安装在所述大型变桨风力机三个叶片根部的迎风侧的应变传感器和6个安装在所述大型变桨风力机三个叶片的中部及叶尖处的热风式风速传感器；应变传感器与第一低通滤波器、A/D模数转换器和嵌入式系统按顺序依次连接，用于检测带有尾缘襟翼的风力机叶片根部的应变信号；热风式风速传感器与第二低通滤波器、A/D模数转换器和嵌入式系统按顺序依次连接，用于估算风轮平面的风速；

控制系统包括：电磁屏蔽机柜、A/D模数转换器、D/A数模转换器、嵌入式系统、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第五低通滤波器、RS485接口和上位机；嵌入式系统通过RS485接口与上位机相连，用于监控控制系统的运行情况、接受上位机命令并且控制系统内组件之间的信号传输；电磁屏蔽机柜安装于控制系统外部，用于屏蔽控制系统外部的电磁干扰；

所述带有尾缘襟翼的大型变桨风力机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：进行带有尾缘襟翼的大型变桨风力机实验测试及系统模型辨识，其步长为μ；

步骤二：控制带有尾缘襟翼结构的风力机叶片的桨距；

步骤三：控制带有尾缘襟翼结构的风力机叶片的襟翼；

步骤四：根据步骤三可得针对叶轮转矩及叶根疲劳载荷的即时控制量，分别为襟翼角输入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)，其被控量分别为转矩观测器得到的估计转矩与对应叶片1、叶片2、叶片3的应变传感器信号值，根据襟翼角输入量u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)及相应优化指标可得叶片1、叶片2、叶片3的三襟翼角控制量u₁(k),u₂(k),u₃(k)；

所述步骤一中包括：

(1)在襟翼角为0°的情况下，通过实验测试确定桨距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}时，风力机输出额定功率时的风速大小，记为v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，下标0,1,...,20表示桨距角的大小；

(2)在桨距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}时，采用与桨距角相对应的风速v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，三襟翼角采用同一输入信号控制，将襟翼角的控制信号与叶轮转矩信号作为输入输出，分别使用系统辨识方法得到低阶状态空间模型集SS₁＝{SS_1,0°,SS_1,1°,...,SS_1,20°}；转矩观测器用来获得叶轮转矩的估计值，转矩观测器与第三低通滤波器、A/D模数转换器和嵌入式系统按顺序依次连接；

(3)在桨距角α＝{0°,1°,2°,...,20°}时，采用与桨距角相对应的风速v_α＝{v₀,v₁,...,v₂₀}，将单襟翼角的变化量与其相对应的应变传感器信号作为输入输出信号，使用系统辨识方法得到低阶状态空间模型集SS₂＝{SS_2,0°,SS_2,1°,...,SS_2,20°}，其他两个襟翼角与对应应变传感器的输入输出低阶状态空间模型集可使用该低阶状态空间模型集SS₂；

所述步骤二中包括：

(1)使用以下方式进行模糊控制器设计：

i在襟翼角为0°的情况下，以风速v作为输入量，桨距角α作为输出量，将输入量根据模糊关系进行分类，得到隶属度函数和模糊规则；

ii以估计风速v'作为模糊控制器的输入变量，选择隶属度函数进行模糊化，再根据模糊规则进行反模糊化，即可得到桨距角逻辑控制量α'_v；

(2)在风力机实际运行过程中，估计风速v'为其中，分别为六个热风式风速传感器的测量值；将估计风速v'作为模糊控制器输入变量，得到桨距角逻辑输出量α'_v，为防止桨距角频繁变动，将桨距角逻辑控制量α'_v进行四舍五入取整，即可确定桨距角实际控制量α_v；

所述步骤三中包括：

(1)单输入单输出系统的状态空间方程为：

其中，A为系数矩阵，b为控制向量，c^T为输出向量，x(k)为状态变量，u(k)为输入量，y(k)为输出量，状态空间模型为状态空间模型集SS₁,SS₂中的状态空间模型，可根据桨距角实际控制量a_v选择；k时刻起，系统在M步系统输入U(k)＝[u(k),...,u(k+M-1)]^T作用下未来P个时刻的系统输出为：

Y(k)＝F_yx(k)+G_yU(k)

其中：

(2)k时刻起，为使系统在M步系统输入u(k),...,u(k+M-1)作用下未来P时刻的输出预测值y(k+i)接近给定期望值w(k+i),i＝1,…,P，同时抑制控制输入剧烈变化，其性能指标为：

其中，W(k)＝[w(k+1),…,w(k+P)]^T为输出期望值，Q_y,R_y是适当维数的输出和控制加权矩阵，||...||₂为矩阵的2-范数；其最优解的解析表达式为：

即时控制量为

其中，为中间变量，其表达式为

(3)得到即时控制量后，将即时控制量输出，进行下一步骤的计算；

所述步骤四中包括：

(1)系统的未来输出变化为：

其中，将u₁(k),u₂₁(k),u₂₂(k),u₂₃(k)代入，可得系统的未来输出变化Y₁(k),Y₂₁(k),Y₂₂(k),Y₂₃(k)，归一化后得到输出变化向量

(2)控制量变化的优化指标为

其中，代表归一化后的给定值向量；下标i指代风力机叶片标号，i＝1,2,3；Q_1i,Q_2i分别表示叶轮转矩控制与叶根疲劳载荷控制的合适维数的权值矩阵；||...||₂为矩阵的2-范数；通过使优化指标最小的方式，即可得到风力机三叶片的襟翼角控制量u₁(k),u₂(k),u₃(k)，作为控制量对叶轮转矩及叶根疲劳载荷进行控制；

(3)若风力机未达到稳定状态，则跳转至步骤二中进行下一步长的控制计算；若风力机达到稳定状态，则结束控制循环。