李迺璐, 楊 華, 朱衛(wèi)軍, 蔣 偉, 張繼勇

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

隨著風(fēng)力機(jī)向大型化、智能化發(fā)展,智能葉片技術(shù)日益引起關(guān)注?；谖簿壗笠淼娘L(fēng)力機(jī)智能葉片可以有效減輕風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)及疲勞載荷。目前,高校新能源科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的風(fēng)電實(shí)驗(yàn)大多是風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪特性及風(fēng)力機(jī)發(fā)電控制實(shí)驗(yàn),而很少有風(fēng)力機(jī)智能葉片控制方面的實(shí)驗(yàn),目前市場(chǎng)上也沒(méi)有關(guān)于智能葉片控制實(shí)驗(yàn)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)品。因此,在風(fēng)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)中亟需開發(fā)風(fēng)力機(jī)智能葉片控制的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā),美國(guó)虛擬儀器公司的LabVIEW Control Design and Simulation(LabVIEW CDS)功能模塊在系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真分析、控制器設(shè)計(jì)以及控制分析等方面具有綜合開發(fā)優(yōu)勢(shì)[1-4]?；贚abVIEW CDS的仿真技術(shù)可以設(shè)計(jì)出直觀、精確的復(fù)雜控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[5-7],不僅能夠精確模擬風(fēng)力機(jī)智能葉片系統(tǒng),同時(shí)能夠直觀顯示智能葉片控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程,利用LabVIEW CDS模塊的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)建模與控制仿真。

利用LabVIEW開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)已經(jīng)在一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)中成功應(yīng)用[8-10]。本文首先建立風(fēng)力機(jī)智能葉片系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并設(shè)計(jì)內(nèi)模振動(dòng)控制器。然后利用LabVIEW CDS模塊完成風(fēng)力機(jī)智能葉片控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā),包括風(fēng)力機(jī)智能葉片運(yùn)行監(jiān)控、智能葉片系統(tǒng)分析、內(nèi)模控制器設(shè)計(jì)以及控制數(shù)據(jù)分析等,以靈活、自主的方式幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握智能葉片控制原理及設(shè)計(jì)方法,提高學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力與實(shí)踐能力。

1 風(fēng)力機(jī)智能葉片數(shù)學(xué)模型

對(duì)基于尾緣襟翼的風(fēng)力機(jī)智能葉片翼型結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行進(jìn)行分析,可簡(jiǎn)化成如圖1所示的氣動(dòng)彈性模型。

圖1 風(fēng)力機(jī)智能葉片翼型的氣動(dòng)彈性模型圖

風(fēng)力機(jī)葉片翼型具有兩自由度耦合運(yùn)動(dòng)位移,即揮舞位移h和扭轉(zhuǎn)角位移θ,系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程[11]為

(1)

式中,Iθ是彈性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,m是葉片的質(zhì)量,b是葉片的中點(diǎn),xθ是質(zhì)心和彈性軸之間的無(wú)量綱距離,ch和cθ分別是揮舞位移和扭轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù),kh和kθ分別表示揮舞位移和扭轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)剛度。L和M是對(duì)彈性軸的氣動(dòng)升力和氣動(dòng)力矩,可以通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)模型模擬。

有許多空氣動(dòng)力學(xué)模型可以描述非定常氣動(dòng)升力和氣動(dòng)力矩,本文采用了一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)模型如下所示[12]:

(2)

式中,U是來(lái)流速度,clθ和cmθ分別是氣動(dòng)升力系數(shù)和力矩系數(shù),ρ是空氣密度,a是葉片中點(diǎn)和彈性軸之間的無(wú)量綱距離,β是尾緣襟翼角,cl β和cm β分別是襟翼作用下的氣動(dòng)升力系數(shù)和力矩系數(shù)。

為了整理系統(tǒng)模型方程,公式(2)可表達(dá)為

(3)

對(duì)公式(1)和公式(3)整理后得到系統(tǒng)狀態(tài)空間方程為

(4)

式中

代入實(shí)際參數(shù),可得：

(5)

分別選取傳感器輸出信號(hào)為揮舞位移和扭轉(zhuǎn)角位移,得到對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

(6)

式中,H(s)為揮舞位移輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)傳遞函數(shù),A(s)為扭轉(zhuǎn)角位移輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

2 內(nèi)模振動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

假設(shè)線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為Gp(s),系統(tǒng)的等效過(guò)程模型為Gm(s),內(nèi)模控制原理結(jié)構(gòu)[13]如圖2所示,其中C(s)為內(nèi)?？刂破?d為擾動(dòng),r為期望輸出,y為系統(tǒng)輸出。

圖2 內(nèi)?？刂圃斫Y(jié)構(gòu)圖

將系統(tǒng)過(guò)程模型Gm(s)分解為模型中包含純滯后和不穩(wěn)定零點(diǎn)的不可逆部分Gm+(s),以及模型中最小相位可逆部分Gm-(s)。假設(shè)Gm(s)通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)獲取為非最小相位二階數(shù)學(xué)模型為

(7)

式中,kp為放大倍數(shù),β為最小相位零點(diǎn),τ1和τ2為時(shí)間常數(shù)。將式(7)分解成非最小相位部分Gm-(s)與最小相位部分Gm+(s)乘積的形式：

(8)

內(nèi)模控制器C(s)可設(shè)計(jì)為：

(9)

當(dāng)n=2時(shí),利用過(guò)程模型和內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)的反饋控制器為Gc(s)：

(10)

此時(shí)控制量為u=Gc(s)(r-y)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 控制系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)

在LabVIEW環(huán)境中，采用CDS功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)智能葉片控制系統(tǒng)的虛擬仿真。采用LabVIEW CDS模塊的控制與仿真循環(huán)程序框建立系統(tǒng)微分方程的數(shù)學(xué)模型,采用CDS模塊中的多種功能子模型,如CD構(gòu)造零極點(diǎn)增益模型、CD波特、CD繪制零極點(diǎn)增益方程、CD除法/乘法模型等建立系統(tǒng)過(guò)程模型(見圖3)，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)模振動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與仿真。

程序設(shè)計(jì)主要包括：

(1) 登錄程序設(shè)計(jì)：保證用戶名和密碼輸入正確時(shí)才能夠進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

(2) 風(fēng)力機(jī)智能葉片系統(tǒng)建模程序設(shè)計(jì)：利用CDS模塊中的仿真子模塊以及MathScript程序框建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并計(jì)算設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，見圖3(a),利用CD波特模塊分析葉片振動(dòng)系統(tǒng)的頻率特性；

圖3 風(fēng)力機(jī)智能葉片控制系統(tǒng)程序框圖

(3) 內(nèi)模振動(dòng)控制器設(shè)計(jì)：利用CD零極點(diǎn)構(gòu)建模塊、CD零極點(diǎn)方程模塊、CD零極點(diǎn)繪圖模塊等,設(shè)計(jì)過(guò)程模型傳遞函數(shù)和濾波器函數(shù),完成建立內(nèi)?？刂破骱瘮?shù)(見圖3(b))；

(4) 控制仿真與分析程序設(shè)計(jì)：采用控制與仿真循環(huán)程序框設(shè)置封裝的系統(tǒng)模型程序以及內(nèi)?？刂破鞒绦?形成閉環(huán)控制回路仿真系統(tǒng)(見圖3(c))。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 系統(tǒng)登錄。當(dāng)輸入用戶名及密碼全部正確,按下“登錄”按鈕即可進(jìn)入“智能風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)”主界面。

(2) 主界面監(jiān)控運(yùn)行。風(fēng)力機(jī)智能葉片運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖4所示。界面清晰、直觀地展示了風(fēng)力機(jī)葉片翼型的氣動(dòng)力原理、智能葉片結(jié)構(gòu)圖、氣動(dòng)彈性原理,具有良好的人機(jī)交互界面；主界面中實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的主要參數(shù),包括兩自由度的振動(dòng)量(即揮舞位移和扭轉(zhuǎn)角)和控制驅(qū)動(dòng)量(即尾緣襟翼角)。通過(guò)主監(jiān)控界面,從總體上顯示風(fēng)力機(jī)智能葉片工作原理。

圖4 智能風(fēng)機(jī)葉片監(jiān)控系統(tǒng)主界面運(yùn)行圖

(3) 智能葉片系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。首先,可在“等效葉片模型參數(shù)設(shè)計(jì)”框圖內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)等效過(guò)程模型的傳遞函數(shù)。當(dāng)按下綠色的啟動(dòng)按鈕時(shí),分析界面開始運(yùn)行,針對(duì)等效葉片模型及智能葉片模型(系統(tǒng)輸出為扭轉(zhuǎn)角或揮舞位移)分別構(gòu)造零極點(diǎn)增益方程,并分析繪制這些方程的幅頻特性曲線和相頻特性曲線,實(shí)時(shí)運(yùn)行如圖5所示。可以觀測(cè)到系統(tǒng)模型和等效葉片模型的頻率響應(yīng)都是穩(wěn)定的,滿足內(nèi)?？刂品€(wěn)定的充要條件。

圖5 智能風(fēng)機(jī)葉片分析界面運(yùn)行圖

(4) 內(nèi)模控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。圖6為智能葉片內(nèi)模振動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)結(jié)果。在界面左半部分直觀、清晰地展示內(nèi)?？刂圃砗蛢?nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)步驟；在界面右半部分，學(xué)生可以通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器的時(shí)間參數(shù)和階數(shù),自行設(shè)計(jì)低通濾波器,完成基于濾波器的內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)。在界面中,可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到所設(shè)計(jì)的內(nèi)模控制器傳遞函數(shù)及其零極點(diǎn)圖。當(dāng)改變?yōu)V波器參數(shù)時(shí),可以觀測(cè)到控制器的明顯變化。

圖6 內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)界面運(yùn)行圖

(5) 仿真控制實(shí)驗(yàn)。針對(duì)輸出為扭轉(zhuǎn)角和揮舞位移的風(fēng)力機(jī)智能葉片系統(tǒng)模型，分別進(jìn)行內(nèi)模振動(dòng)控制仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 內(nèi)模控制界面初始圖

圖7中界面左半部的控制原理圖中實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)模型的傳遞函數(shù)以及等效葉片模型和內(nèi)?？刂破鞯膫鬟f函數(shù)；界面右半部設(shè)置按鈕,點(diǎn)擊按鈕將顯示葉片振動(dòng)位移的控制響應(yīng)和等效模型的響應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以觀測(cè)到內(nèi)模控制器成功地抑制了葉片揮舞位移和扭轉(zhuǎn)角振動(dòng)量,并穩(wěn)定在設(shè)置的階躍幅值。實(shí)驗(yàn)表明：針對(duì)不同傳感器輸出的模型傳遞函數(shù),內(nèi)?？刂贫伎梢院芎玫乜朔Ｐ褪洳⑼瓿烧駝?dòng)控制,具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

基于LabVIEW CDS模塊的風(fēng)力機(jī)智能葉片控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用來(lái)研究智能葉片內(nèi)模振動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題,分析不同傳感器信號(hào)輸出和控制參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)智能葉片振動(dòng)控制的影響。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可自主設(shè)計(jì)內(nèi)?？刂破?直觀、清晰地顯示風(fēng)力機(jī)智能葉片結(jié)構(gòu)、內(nèi)模控制原理、控制設(shè)計(jì)步驟和閉環(huán)控制結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生提高了對(duì)于復(fù)雜智能葉片內(nèi)模控制過(guò)程的理解，更好地掌握了風(fēng)電控制技術(shù)。