李迺璐,江文宇,楊 華,朱衛(wèi)軍,曹九發(fā)
(揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225127)
近年,風(fēng)電裝機(jī)容量不斷提升,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)處于蓬勃發(fā)展的階段[1-2]。面向市場需要,高等院校工科專業(yè),如新能源科學(xué)與工程專業(yè)、電氣專業(yè)和自控專業(yè)等開始新增風(fēng)電相關(guān)的理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。風(fēng)電科研與教學(xué)容易受到場地、設(shè)備成本等限制[3-4],同時(shí),風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)理論較為復(fù)雜。在實(shí)踐教學(xué)過程中需要專業(yè)、直觀且可交互的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),幫助學(xué)生深化理論認(rèn)識(shí),提高風(fēng)電實(shí)踐能力,為工科師生提供高效、低成本的風(fēng)電實(shí)驗(yàn)手段。
在風(fēng)電系統(tǒng)中,風(fēng)力機(jī)葉片是捕獲風(fēng)能、保證風(fēng)力機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件。隨著大型化、柔性化葉片的發(fā)展,風(fēng)力機(jī)葉片在流固耦合作用下易發(fā)生振動(dòng),嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致葉片斷裂,甚至毀壞整個(gè)風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性與控制是在工業(yè)應(yīng)用中非常值得研究與關(guān)注的一個(gè)問題[5-8]。自然界中風(fēng)速存在多種變化特征,研究不同風(fēng)況下的葉片振動(dòng),有助于深入觀察并理解實(shí)際工況下的風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性;在此基礎(chǔ)上,利用控制理論進(jìn)行葉片振動(dòng)控制研究,有利于減緩葉片振動(dòng)、提高葉片及風(fēng)力機(jī)的可靠性,提高風(fēng)力發(fā)電效率、避免災(zāi)難性事故。隨著這些問題的日益突出,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在積極開展風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性與控制的研究。
為了契合學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn),并滿足高校師生的實(shí)踐教學(xué)需要,本文利用虛擬儀器軟件LabVIEW[9-10]設(shè)計(jì)開發(fā)了風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性與控制仿真系統(tǒng),為學(xué)生的風(fēng)電實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)平臺(tái)。通過仿真,向?qū)W生展示了風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)系統(tǒng),直觀呈現(xiàn)了風(fēng)況變化對葉片振動(dòng)特性的影響,同時(shí),學(xué)生可自主設(shè)計(jì)控制器參數(shù)進(jìn)行葉片振動(dòng)控制仿真。這有利于培養(yǎng)學(xué)生的風(fēng)電科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐創(chuàng)新能力,并為風(fēng)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有效、可推廣的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
葉片翼型的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為[11]:
式中:m為翼型質(zhì)量;b 為翼型半弦長;Iθ為彈性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;xθb為質(zhì)心與彈性軸的距離;ch、cθ為阻尼系數(shù);kh、kθ為剛度系數(shù);L、M 分別為氣動(dòng)升力和氣動(dòng)力矩;h為揮舞位移;θ為扭轉(zhuǎn)角為揮舞速度和扭轉(zhuǎn)角速度;分別為揮舞加速度和扭轉(zhuǎn)角加速度。
考慮自然來流和流動(dòng)控制裝置的影響,式(1)中的氣動(dòng)力包括翼型氣動(dòng)力和尾緣襟翼的氣動(dòng)控制力:
式中:L1、M1分別為翼型的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩;L2、M2分別為尾緣襟翼的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩;U為風(fēng)速;β 為尾緣襟翼角。
采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)模型來描述氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩[12]:
式中:ρ為空氣密度;a 為弦長中點(diǎn)和彈性軸之間的無量綱距離;clθ、cmθ分別為翼型氣動(dòng)升力系數(shù)和氣動(dòng)力矩系數(shù),clβ、cmβ分別為尾緣襟翼的氣動(dòng)升力系數(shù)和氣動(dòng)力矩系數(shù)。
將尾緣襟翼角作為系統(tǒng)控制量u,將扭轉(zhuǎn)角作為系統(tǒng)輸出量y。整理式(1)~(4),風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)系統(tǒng)可表示為:
由以上各式可知,葉片二自由度運(yùn)動(dòng)模型為耦合振動(dòng)系統(tǒng),選擇扭轉(zhuǎn)角作為系統(tǒng)輸出量,使得整個(gè)系統(tǒng)成為單輸入單輸出系統(tǒng)。
式(5)中風(fēng)速為影響葉片振動(dòng)的重要參數(shù)。典型風(fēng)況一般包括基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)[12],實(shí)際風(fēng)況是由其中一種或幾種典型風(fēng)況組合而成。
(1)基本風(fēng)vwb?;撅L(fēng)在風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行中一直存在,反映了風(fēng)電場的平均風(fēng)速變化,通常取常數(shù):
式中,Kb表示常數(shù)。
(2)陣風(fēng)vwg。陣風(fēng)具有短時(shí)間突變性,具有余弦特征。陣風(fēng)可表示為:
式中:Gmax為陣風(fēng)峰值;Tg為陣風(fēng)周期;T1g為陣風(fēng)起始時(shí)間;t為時(shí)間。
(3)漸變風(fēng)速vwr。漸變風(fēng)通常用來描述緩慢變化的風(fēng)速:
式中:Rmax為漸變風(fēng)最大值;T1r為風(fēng)速變化的起始時(shí)間;T2r為風(fēng)速變化的結(jié)束時(shí)間;Tr為最大值保持時(shí)間。
(4)隨機(jī)風(fēng)vn。自然界中來流風(fēng)普遍存在隨機(jī)性,采用隨機(jī)分量表示:
式中:max(vn)表示隨機(jī)風(fēng)的最大值;Ram為-1 和1 之間均勻分布的隨機(jī)數(shù);ωv、φv分別為風(fēng)速波動(dòng)的平均距離和隨機(jī)量。
為實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)控制,需要進(jìn)行振動(dòng)控制器設(shè)計(jì)。利用經(jīng)典PID 控制理論進(jìn)行控制器設(shè)計(jì);為更好地適應(yīng)風(fēng)況變化,采用自適應(yīng)控制理論進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。振動(dòng)控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)揮舞位移和扭轉(zhuǎn)角的振動(dòng)抑制,根據(jù)式(5)系統(tǒng),扭轉(zhuǎn)角被認(rèn)為是可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的有效傳感器信號。
PID控制是較為常見的控制方法[13-14],應(yīng)用于葉片振動(dòng)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)、具有魯棒性等優(yōu)點(diǎn),商業(yè)風(fēng)力機(jī)也較多采用PID 控制方法。PID 給定控制器表達(dá)為:
式中:e(t)為系統(tǒng)誤差;r(t)為給定值;Kp、Ki、Kd分別為比例、積分和微分控制參數(shù)。這些參數(shù)決定PID 控制效果,比例控制可快速減小誤差,讓系統(tǒng)輸出接近給定值,但會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差;積分控制主要用來消除靜態(tài)誤差;微分控制能預(yù)測誤差變化趨勢,提前對誤差進(jìn)行抑制。這些綜合作用實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)并獲取良好的動(dòng)態(tài)效果。
根據(jù)式(10),葉片PID振動(dòng)控制器可表達(dá)為:
選取合適的PID控制參數(shù)可實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)抑制。
風(fēng)況具有多變性,為葉片振動(dòng)控制系統(tǒng)來帶擾動(dòng),需要具有抗干擾的控制方法來實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)抑制。葉片振動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)量在實(shí)際情況下難以精確測量或精確估計(jì),需要研究不依賴多變量測量的抗干擾輸出反饋控制器,如自適應(yīng)性控制器[15-16]。
控制目標(biāo)為抑制葉片振動(dòng),并消除風(fēng)擾動(dòng)影響。葉片的自適應(yīng)振動(dòng)控制器設(shè)計(jì)為:
式中:Ge(t)為克服系統(tǒng)誤差的自適應(yīng)增益;Gd(t)為抗擾動(dòng)的自適應(yīng)增益;ud(t)為擾動(dòng)信號:
式中,zd(t)為擾動(dòng)信號的狀態(tài)量,φd(t)為擾動(dòng)狀態(tài)量的基本函數(shù),Θ、L分別為幅值。
根據(jù)式(12)、(13),自適應(yīng)增益為:
式中:r1、r2分別為自適應(yīng)增益參數(shù),即自適應(yīng)振動(dòng)控制參數(shù)??梢?,隨著擾動(dòng)信號的變化、系統(tǒng)誤差信號的變化,自適應(yīng)增益可進(jìn)行在線調(diào)節(jié),本質(zhì)為時(shí)變增益,可更好地適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化和干擾影響。
本仿真系統(tǒng)包括系統(tǒng)主界面、風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性仿真、葉片PID振動(dòng)控制仿真以及葉片自適應(yīng)振動(dòng)控制仿真,總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過LabVIEW虛擬儀器軟件,設(shè)計(jì)開發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主界面和每個(gè)子界面,通過LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)功能方面,采用人機(jī)交互方式,學(xué)生可在系統(tǒng)中自行設(shè)置不同類型的風(fēng)況、調(diào)節(jié)控制參數(shù),觀察和分析多種風(fēng)況下風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)特性、PID 控制參數(shù)和自適應(yīng)控制參數(shù)對葉片振動(dòng)抑制的效果和抗干擾作用。所有子界面通過主界面連接進(jìn)入,界面設(shè)計(jì)通過LabVIEW前面板完成、程序設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)在LabVIEW后程序框圖完成。
圖1 仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
本文主要采用了LabVIEW 基礎(chǔ)軟件、LabVIEW Control Design and Simulation(CDS)功能模塊和Mathscript功能模塊等完成系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。仿真系統(tǒng),主要針對多種典型風(fēng)況、風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)系統(tǒng)、PID 控制器和自適應(yīng)控制器進(jìn)行了LabVIEW 程序開發(fā)。
采用LabVIEW CDS模塊的控制與仿真循環(huán)程序框來建立葉片振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程模型,利用Mathscript功能模進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置;利用Mathscript建立組合風(fēng)況模型,并設(shè)計(jì)風(fēng)況參數(shù)的人機(jī)交互功能;風(fēng)況模型的輸入直接連接葉片振動(dòng)系統(tǒng),對振動(dòng)特性直接產(chǎn)生影響;利用LabVIEW CDS模塊編寫PID控制器和自適應(yīng)控制器模型,設(shè)計(jì)控制參數(shù)的人機(jī)交互功能。具體的系統(tǒng)仿真程序如圖2 所示。
圖2 基于LabVIEW的風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性與控制仿真程序框圖
(1)系統(tǒng)主界面。仿真系統(tǒng)的主界面如圖3 所示,在主界面上部分,清晰、直觀地展示了風(fēng)況變化、葉片翼型兩自由度振動(dòng)量和三維風(fēng)力機(jī)等,具有良好的人機(jī)界面;在主界面下部分,直觀展示了葉片振動(dòng)控制的閉環(huán)回路、控制量和控制方法;設(shè)置有3 個(gè)按鈕,可打開對應(yīng)的子界面進(jìn)行仿真。主界面總體上顯示了風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)與控制系統(tǒng)的工作原理。
圖3 風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性與控制仿真系統(tǒng)主界面
(2)不同風(fēng)況下葉片振動(dòng)特性仿真。根據(jù)界面參考數(shù)據(jù)分別設(shè)置基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)的參數(shù),形成單個(gè)典型風(fēng)況或任意組合風(fēng)況。根據(jù)風(fēng)況設(shè)置,界面實(shí)時(shí)更新顯示風(fēng)況下的葉片振動(dòng)響應(yīng)曲線。為模擬基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)的復(fù)雜風(fēng)況,設(shè)置基本風(fēng)、陣風(fēng)分別為8 m/s,開始時(shí)間為4 s,持續(xù)時(shí)間為3 s;漸變風(fēng)為6 m/s、開始時(shí)間為9 s、結(jié)束時(shí)間為12 s;隨機(jī)風(fēng)為2 m/s。實(shí)時(shí)運(yùn)行結(jié)果如圖4 所示??梢姡~片振動(dòng)響應(yīng)隨風(fēng)況變化而變化,較小的基本風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)帶來可衰減的振動(dòng),陣風(fēng)可在短時(shí)間內(nèi)顯著增大振動(dòng)幅值,當(dāng)漸變風(fēng)超過了顫振風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致葉片產(chǎn)生不穩(wěn)定的振動(dòng)。圖5 所示為不同風(fēng)工況下的葉片振動(dòng)特性。
圖4 風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)特性仿真實(shí)驗(yàn)界面
圖5 不同風(fēng)況下葉片振動(dòng)特性
由圖5 可發(fā)現(xiàn):①陣風(fēng)短時(shí)間內(nèi)影響葉片振動(dòng)并造成大幅波動(dòng),陣風(fēng)過后葉片振動(dòng)可衰減;②漸變風(fēng)由于風(fēng)速持續(xù)變化且不斷增大,會(huì)長時(shí)間影響葉片振動(dòng)特性,在達(dá)到顫振速度后使得葉片振動(dòng)失穩(wěn);③低于顫振速度的隨機(jī)風(fēng)和基本風(fēng)會(huì)引起葉片衰減振蕩,但不影響葉片穩(wěn)定性。綜上不同類型風(fēng)速對葉片振動(dòng)的影響程度:漸變風(fēng)>陣風(fēng)>隨機(jī)風(fēng)>基本風(fēng)。
(3)葉片PID 振動(dòng)控制仿真。圖6 顯示了葉片PID振動(dòng)控制設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果。界面清晰地展示了PID控制原理和振動(dòng)控制結(jié)構(gòu),直觀給出了PID 參數(shù)按鈕。學(xué)生可以自主調(diào)節(jié)控制參數(shù)并完成葉片PID振動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)。在界面中,可以實(shí)時(shí)觀測當(dāng)前風(fēng)況、PID振動(dòng)控制結(jié)果和控制前后對比結(jié)果。在陣風(fēng)情況下,PID振動(dòng)控制器可以有效抑制葉片振動(dòng)并降低振動(dòng)幅度,但在5~6 s區(qū)間PID控制系統(tǒng)無法克服陣風(fēng)干擾的影響。
(4)葉片自適應(yīng)振動(dòng)控制仿真。為了進(jìn)一步克服風(fēng)況變化帶來的干擾影響,進(jìn)行葉片自適應(yīng)振動(dòng)控制仿真,結(jié)果如圖7 所示。圖7 直觀展示了葉片自適應(yīng)振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)以及自適應(yīng)控制優(yōu)勢。圖7 中,學(xué)生可通過自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)按鈕在線調(diào)整控制參數(shù),并實(shí)時(shí)觀察葉片振動(dòng)控制效果。設(shè)置最復(fù)雜的組合風(fēng)況,可發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)控制器不僅可以有效抑制葉片衰減振蕩和葉片發(fā)散振蕩,同時(shí)成功克服了陣風(fēng)和漸變風(fēng)干擾,所設(shè)計(jì)自適應(yīng)振動(dòng)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、抗干擾性和魯棒性。
圖6 葉片PID振動(dòng)控制參數(shù)設(shè)置與仿真實(shí)驗(yàn)界面
圖7 葉片自適應(yīng)振動(dòng)控制參數(shù)設(shè)置與仿真實(shí)驗(yàn)界面
本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW 的風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性與控制仿真系統(tǒng),來研究不同類型風(fēng)況下的葉片振動(dòng)特性、通過學(xué)生自主進(jìn)行控制設(shè)計(jì),研究分析PID控制器的葉片振動(dòng)抑制效果以及自適應(yīng)控制器的振動(dòng)抑制和抗干擾性能。該仿真系統(tǒng)有助于學(xué)生理解和掌握復(fù)雜的風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)與控制原理,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性,為相關(guān)專業(yè)的風(fēng)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究提供了一個(gè)低成本、可推廣且具有交互性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。