[发明专利]基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法

摘要

本发明公开了一种基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法，包括步骤：1)对磁流变阻尼器结构进行分析，获得磁流变阻尼器的力‑位移关系式；2)建立配置磁流变阻尼器的海上浮式风电机组多自由度结构体系运动方程，并建立风机和磁流变阻尼器的运动方程；3)通过LQR控制器和Fuzzy控制器对磁流变阻尼器进行控制，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移。本发明摒弃了在阻尼器结构控制中被动控制和主动控制的缺点，控制所需外加能量很少、装置简单、不易失稳，能有效减小浮式风电机组的总体载荷，并在一定程度上保证浮台的平稳，进而能提高风力机的使用寿命和输出电能质。

主权项

1.一种基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法，其特征在于：包括以下步骤：1)对磁流变阻尼器结构进行分析，获得磁流变阻尼器的力‑位移关系式：式中，F_MR‑TMD为磁流变阻尼力，C₀为阻尼系数，为活塞相对缸体的位移，f_c为库仑力，f₀为由补偿器产生的摩擦力；2)建立配置磁流变阻尼器的海上浮式风电机组多自由度结构体系运动方程，利用Kane动力学方程，分别建立风机和磁流变阻尼器的运动方程：其中，θ_p表示浮台偏离垂直平面的角度，θ_t表示塔架偏离垂直平面的角度；k_p表示Barge的弹性常数，k_t表示塔架弹性常数，d_p表示浮台阻尼系数，d_t表示塔架阻尼系数；x_MR‑TMD表示阻尼器质心到铰链所在垂直面的距离；F_MR‑TMD为磁流变阻尼力；I_p表示浮台转动惯量，I_t表示塔架转动惯量；g表示重力加速度；m_p表示浮台质量，m_t表示塔架质量，m_MR‑TMD表示磁流变阻尼器的质量；R_p表示浮台质心到铰链的距离，R_t表示塔架质心到铰链的距离，R_MR‑TMD表示磁流变阻尼器质心到铰链的距离；3)结合步骤1和步骤2)得到具有如下形式的系统矩阵状态方程：矩阵输出方程为：Y＝CX+DU，其中，X为状态向量；U为控制输入向量；F是力向量；A为系统矩阵；B为输入矩阵；C为输出矩阵；D为传递矩阵；通过LQR控制器和Fuzzy控制器实现对磁流变阻尼器的控制，控制系统的反馈信号为机舱前后摇摆位移和浮台俯仰角，要达到的控制效果是使机舱纵向位移和浮台俯仰角最小，实现方式如下：第一，利用LQR控制器计算最优控制力向量U，LQR的求解过程主要有3个步骤:首先建立系统的状态方程；其次提出控制目标并选取加权系数；最后应用控制理论求解得到所设目标下的最优控制律；LQR控制问题的目标性能函数定义为：其中，Q为状态变量加权矩阵；R为控制变量加权矩阵；N为状态变量和控制变量交叉项的加权矩阵；最优控制问题的求解可转化为下述Riccati方程的求解:AP+PA^T‑PBR^‑1B^TP+Q＝0，求得P，从而得到控制器增益矩阵为：G＝R^‑1(N^T+B^TP)，并最终得到最优控制力：U＝‑GX；第二，根据磁流变阻尼器本身的控制力范围及最优控制力向量U，得到期望控制力U_d，所述U_d通过力限制器算法：计算得到，其中，f_dymin和f_dymax分别是磁流变阻尼器的最小阻尼力和最大阻尼力；第三，利用Fuzzy控制器控制磁流变阻尼器的电流使磁流变阻尼器能够跟踪期望控制力，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移；控制系统的反馈信号为机舱前后摇摆位移和浮台俯仰角，反馈信号输入kalman滤波器得到所需的估计状态后再输入LQR控制器，通过LQR控制器和力限制器算法获得的期望控制力U_d信号输入模糊控制器，Fuzzy控制器控制磁流变阻尼器的电流使磁流变阻尼器能够跟踪期望控制力，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移。