許博杰 方正哲 潘佳男

摘 要：基于Beddoes-Leishman氣動(dòng)模型設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片控制系統(tǒng)。利用LabVIEW CDS模塊搭建出經(jīng)典顫振模型，并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)典顫振特性分析。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)PID、LQR、Adaptive Control控制器對(duì)風(fēng)力機(jī)在不穩(wěn)定情況下進(jìn)行校正。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；經(jīng)典顫振；自動(dòng)控制系統(tǒng)；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0176-04

Absrtact：The control system of the wind turbine blades was designed based on the Beddoes-Leishman dynamic model. The classical flutter model is built by using LabVIEW CDS module，and the classical flutter characteristics are analyzed. On this basis，PID，LQR and Adaptive Control controllers are designed to correct the wind turbine under unstable conditions.

Keywords：wind turbine；classical flutter；automatic control system；LabVIEW

0 引 言

眾多的可再生能源技術(shù)開發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電是世界上增長(zhǎng)最快的能源。近年來(lái)隨著風(fēng)力機(jī)型的增大，其葉片展向長(zhǎng)度也隨之加大。因此在慣性力、彈性力和復(fù)雜氣動(dòng)負(fù)載力耦合作用下，葉片會(huì)出現(xiàn)顫振現(xiàn)象。經(jīng)典顫振問(wèn)題是研究大型風(fēng)力機(jī)葉片安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要問(wèn)題。水平風(fēng)力機(jī)葉片的經(jīng)典顫振為氣流流動(dòng)基本附著無(wú)明顯分離情況下，風(fēng)機(jī)葉片扭轉(zhuǎn)自由度和揮舞自由度產(chǎn)生的自激振蕩。如今風(fēng)電場(chǎng)大多采用自動(dòng)化運(yùn)行方式，如果沒(méi)有一套完備的監(jiān)控系統(tǒng)，將導(dǎo)致運(yùn)行人員無(wú)法對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)控制，可能導(dǎo)致葉片及風(fēng)力機(jī)組出現(xiàn)故障，嚴(yán)重時(shí)可致使風(fēng)力機(jī)葉片斷裂和損毀，造成不可挽回的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

1 基于LabVIEW CDS的風(fēng)力機(jī)葉片經(jīng)典顫振模型仿真模擬

圖1所示風(fēng)力機(jī)葉片的經(jīng)典顫振運(yùn)動(dòng)包括揮舞和扭轉(zhuǎn)，分別由揮舞彎曲位移h和扭轉(zhuǎn)偏移角度θ來(lái)表示。兩自由度揮舞-扭轉(zhuǎn)耦合的葉片結(jié)構(gòu)模型運(yùn)行方程可表示為：[1]

仿真界面如圖1所示。

2 基于LabVIEW CDS的風(fēng)力機(jī)葉片經(jīng)典顫振特性分析

針對(duì)葉片顫振速度分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示，揮舞顫振發(fā)生在V*=10.2，當(dāng)V*=12大于顫振速度時(shí)，揮舞和扭轉(zhuǎn)響應(yīng)曲線的不穩(wěn)定震蕩更加嚴(yán)重。因此，判定的顫振速度為V*=10.2，仿真結(jié)果如圖2所示。

針對(duì)葉片剛度影響分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)固有頻率增大時(shí)，揮舞震蕩幅值相較扭轉(zhuǎn)震蕩幅值減少得更明顯。所以，剛度較大的旋轉(zhuǎn)葉片可以更好地抑制揮舞顫振。

葉片阻尼影響分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)，隨著結(jié)構(gòu)阻尼的增加，顫振幅值減小，調(diào)節(jié)時(shí)間也大大減小。所以，結(jié)構(gòu)阻尼可以明顯改善旋轉(zhuǎn)葉片經(jīng)典顫振的氣彈穩(wěn)定性。

葉片揮舞/扭轉(zhuǎn)固有頻率比影響分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)，隨著 的增加，揮舞自由度和扭轉(zhuǎn)自由度由不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定震蕩，所以，揮舞/扭轉(zhuǎn)固有頻率比的變化對(duì)葉片穩(wěn)定性影響比較大，而且扭轉(zhuǎn)自由度對(duì)固有頻率的變化更為敏感。

3 基于LabVIEW CDS的風(fēng)力機(jī)葉片經(jīng)典顫振PID/LQR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片經(jīng)典顫振設(shè)計(jì)PID/LQR控制器，PID控制器可表達(dá)為：

PID控制器可以直接利用LabVIEW提供的控制器，搭建閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。PID控制環(huán)節(jié)如圖3所示。

LQR控制器利用系統(tǒng)模型的狀態(tài)空間方程，分別設(shè)置不同的權(quán)矩陣Q、R的值，得到如下的仿真結(jié)果，可以看到系統(tǒng)從發(fā)散到穩(wěn)定，雖然在最后沒(méi)有穩(wěn)定在初始零狀態(tài)，但是其扭轉(zhuǎn)角可以控制在△θ→0的狀態(tài)，利用LQR控制可以明顯抑制揮舞位移。未加LQR控制器和加入控制器的仿真結(jié)果如圖4所示。

4 基于LabVIEW CDS的風(fēng)力機(jī)葉片經(jīng)典顫振自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自適應(yīng)控制器[2]的控制目的是抑制系統(tǒng)的揮舞位移，并得到期望的扭轉(zhuǎn)角。選取扭轉(zhuǎn)角α作為反饋信號(hào)。為了達(dá)到控制目的，選定自適應(yīng)控制率為：

其中，?D=1，y取扭轉(zhuǎn)角α，則輸出誤差ey=α。γe、γD為任意正定矩陣，決定了自適應(yīng)效果，這里分別取為5、0.1。

利用LabVIEW CDS模塊的control design子模塊搭建自適應(yīng)控制器，并與風(fēng)力機(jī)葉片顫振仿真模型相連接。圖5為局部仿真圖。

當(dāng)風(fēng)速U=8m/s時(shí)，可獲得如圖6響應(yīng)波形結(jié)果。

5 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用LabVIEW功能模塊和按鍵功能分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)登錄界面和程序，以及設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行系統(tǒng)主界面。后面板通過(guò)子程序，使用for循環(huán)、條件結(jié)構(gòu)、數(shù)組函數(shù)、局部變量、控制與仿真工具包中的Control Design模塊實(shí)現(xiàn)，將等效葉片模型拆分成可逆部分和不可逆部分，并使用圖標(biāo)編輯器將子程序的圖標(biāo)美化，選擇適當(dāng)模式引出接線端。主界面如圖7所示。

6 結(jié) 論

利用PID、LQR、自適應(yīng)控制器來(lái)控制風(fēng)力機(jī)葉片，在受到不同風(fēng)速作用下時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)得出葉片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，控制器通過(guò)反饋的參數(shù)自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，最終使葉片揮舞振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)在一定時(shí)間內(nèi)快速穩(wěn)定，利用實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以監(jiān)測(cè)出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而能達(dá)到很好的控制效果，減少了風(fēng)機(jī)葉片的損傷，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行監(jiān)控和維護(hù)有很大作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Galvanetto U，Peiro J，Chantharasenawong C. An assessment of some effects of the nonsmoothness of the leishman-beddoes dynamic stall model on the nonlinear dynamics of a typical aerofoil section [J].Journal of Fluids and Structures，2008，24（1）：151-163.

[2] LI N，BALAS M. Aeroelastic control of a wind turbine blade using microtabs based on UA97W300-10 airfoil [J].Wind Engineering，2013，37（5）：501-516.

作者簡(jiǎn)介：許博杰（1997.05-），男，江蘇南通人，本科在讀。電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)；方正哲（1997.06-），男，江蘇蘇州人，本科在讀。電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)；潘佳男（1997.03-），男，江蘇張家港人，本科在讀。電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。