蔡亮亮

（國電南京自動化股份有限公司，南京 210003）

風(fēng)力發(fā)電機葉片半主動多模態(tài)振動控制研究

蔡亮亮

（國電南京自動化股份有限公司，南京 210003）

風(fēng)力發(fā)電機葉片是一種柔性體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動時由于大氣環(huán)境復(fù)雜容易發(fā)生多模態(tài)振動，對風(fēng)力發(fā)電機的平穩(wěn)運行非常不利。傳統(tǒng)半主動控制方法對結(jié)構(gòu)單模態(tài)振動有很好的控制效果，但該方法用在多模態(tài)振動控制中會降低機電能的轉(zhuǎn)換效率，控制效果不佳。提出了一種利用狀態(tài)觀測器來觀測結(jié)構(gòu)多模態(tài)振動下的主要振動模態(tài)，利用壓電材料及外接電路對其主要振動模態(tài)進(jìn)行半主動振動控制的方法，建立了風(fēng)力發(fā)電機葉片的結(jié)構(gòu)模型及其觀測系統(tǒng)，試驗驗證結(jié)果表明，該方法效果良好。

風(fēng)力發(fā)電機葉片；多模態(tài)；狀態(tài)觀測器；壓電材料；半主動振動控制

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機（以下簡稱風(fēng)機）葉片是一種復(fù)合材料制成的柔性薄板結(jié)構(gòu)，復(fù)雜環(huán)境下很容易產(chǎn)生多模態(tài)振動，危害風(fēng)機的平穩(wěn)運行和使用壽命。結(jié)構(gòu)的多模態(tài)振動即為結(jié)構(gòu)在其多階固有共振頻率下振動的疊加［1-3］，如何識別出其主要振動模態(tài)尤為重要，此類柔性板結(jié)構(gòu)的主要振動一般為其一階固有頻率下的振動，即一階頻率下的振動幅度最大，是需要被控制的一個振動模態(tài)。本文針對風(fēng)機葉片的結(jié)構(gòu)特點，對應(yīng)建立了葉片簡化模型。由于壓電材料良好的機電耦合特性使其廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)的振動控制方面［4］，因此，在其薄板模型上采用根部粘貼壓電元件的方式來感應(yīng)和控制其振動。感應(yīng)壓電元件用來傳感模型的振動位移幅值，控制壓電元件則用來控制模型的振動。本文使用狀態(tài)觀測系統(tǒng)來識別結(jié)構(gòu)的主要振動模態(tài)，再利用半主動振動控制原理改變控制壓電元件上的電壓，控制壓電元件產(chǎn)生與機構(gòu)振動方向相反的形變，從而減弱結(jié)構(gòu)的振動。

1 風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)模型及其觀測系統(tǒng)的建立

1.1 風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)建模

選用1塊根部粘貼有控制和傳感壓電片的柔性懸臂梁來對風(fēng)機葉片進(jìn)行建模［1］，如圖1所示。

利用有限元分析方法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，方程如下［2-3］：

式中：ωi，ξi，qi，θi，Mi分別為梁的第i階固有頻率、模態(tài)阻尼比、模態(tài)位移矩陣、模態(tài)機電耦合矩陣、模態(tài)質(zhì)量矩陣；V為傳感壓電片上的電壓Vs。

圖1 風(fēng)機葉片的等效懸臂梁結(jié)構(gòu)模型

方程（1）可寫成狀態(tài)方程［5］：

式中：xi為i階狀態(tài)向量；u＝Vs；yi為i階輸出向量；Ai，Bi，Gi均為狀態(tài)矩陣，表達(dá)式為

Mi，θi的表達(dá)式為［2］

所需的特性參數(shù)見表1。

1.2 狀態(tài)觀測器的建立

根據(jù)已建立的懸臂梁振動模型，可對懸臂梁系統(tǒng)式（2）建立如下PI觀測器［6］：

式中：＾x∈Rn為狀態(tài)估計向量；ω∈Rp為加權(quán)輸出估計誤差的積分；F∈Rn×p，L∈Rn×p，K∈Rp×m分別為觀測器積分增益矩陣，比例增益矩陣和輸出誤差權(quán)矩陣。根據(jù)觀測器原理［7］，結(jié)合本文試驗數(shù)據(jù)可求解得L，F(xiàn)，K對應(yīng)的一階觀測矩陣

表1 懸臂梁的特性參數(shù)

將方程（3），（4）及表1中已知參數(shù)代入方程（5）可解出一階輸出向量，即為觀測到的一階振動位移。

2 半主動控制方法及控制系統(tǒng)

試驗采用經(jīng)典同步電壓開關(guān)阻尼技術(shù)（Classical Synchronized Switch Damping on Voltage，SSDV）實現(xiàn)半主動振動控制［8-9］，試驗原理如圖2所示。

圖2 試驗裝置示意

經(jīng)典SSDV控制方法簡述如下：當(dāng)懸臂梁在垂直方向的位移達(dá)到峰值時，控制壓電元件上的電壓Va幅值達(dá)到最大值，此時對應(yīng)地將開關(guān)D1或D2閉合，電路中的電感與壓電等效電容組成的LC振蕩器將發(fā)生諧振，半個諧振周期后壓電片上的電壓將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此時開關(guān)立即斷開。這種方法將使得壓電片產(chǎn)生的力與梁的振動方向始終保持相反，從而達(dá)到抑制振動的效果。附加電源±Vcc使得壓電片的翻轉(zhuǎn)電壓幅值增大，從而增加阻尼效果，得到一個更高的控制效率。

試驗中，狀態(tài)觀測器的建立及模態(tài)位移峰值判斷機制由數(shù)字處理器TMS320F2812編程實現(xiàn)，將傳感壓電元件上的Vs信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后輸入到觀測器，觀測器可輸出各階振動位移信號。試驗中對結(jié)構(gòu)的一階振動位移信號進(jìn)行峰值判斷，在最大位移時刻輸出開關(guān)信號控制對應(yīng)的開關(guān)電路閉合或斷開，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)一階振動模態(tài)的經(jīng)典SSDV控制。

3 試驗結(jié)果與討論

懸臂梁的一階和二階振動模態(tài)頻率分別約為20.02Hz和107.3Hz，為模擬現(xiàn)實環(huán)境中風(fēng)機葉片的多模態(tài)振動情況，兩種頻率按1∶2的幅值比來激勵懸臂梁振動。懸臂梁自由端位移波形和一階位移觀測波形如圖3所示。將懸臂梁的實際振動位移和一階觀測位移進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）分析比較，結(jié)果顯示觀測器對一階振動位移的觀測誤差分別僅為2.75%，體現(xiàn)了本試驗中狀態(tài)觀測器良好的觀測效果。

圖3 振動控制前梁位移與其一階觀測值對比

圖4中顯示的是對懸臂梁一階模態(tài)加載經(jīng)典SSDV控制后懸臂梁自由端位移值、一階模態(tài)觀測值、和壓電片電壓值之間的時域關(guān)系。試驗測得，懸臂梁控制后自由端位移振動幅值減少了89.34%。

圖4 振動控制后梁位移、一階觀測值、壓電片電壓值

4 結(jié)束語

本文闡述了風(fēng)力發(fā)電機葉片建模及其狀態(tài)觀測器的建立方法，并實現(xiàn)了對模型在多模態(tài)激勵環(huán)境下主要振動模態(tài)的觀測。之前的研究由于不能直接利用傳感器獲得風(fēng)機葉片的主要振動模態(tài)，所以給多模態(tài)控制帶來了控制難題。本文中的狀態(tài)觀測器很好地解決了上述問題，在此基礎(chǔ)上與經(jīng)典SSDV方法結(jié)合對模型的主要振動模態(tài)進(jìn)行了控制，且試驗控制效果顯著。

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TM 614

A

1674-1951（2015）08-0072-02

蔡亮亮（1986—），男，江蘇南通人，工程師，工學(xué)碩士，從事電力設(shè)備智能化方向的研究工作（E-mail：cai2013＠163.com）。

2015-04-14；

2015-06-27