CN110671352A - 一种基于风速估计模型的多风机协同风场系统 - Google Patents

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张笛
刁奇
周鹏程
刘健
高岩
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Beijing University of Technology
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Abstract

本发明提供一种基于风速估计模型的多风机协同风场系统，该风场系统不仅可在风场形成区域的指定目标点形成风速可控的风场，包括：风机组、两个风速传感器、风机控制和驱动单元，两个风速传感器分别为固定风速传感器和风速测试传感器；其中风机组包括两个以上呈阵列式分布的风机，两个风速传感器均位于风场测试区域外部，其中固定风速传感器固定在风机组和风场测试区域之间，风速测试传感器设置在风场测试区域远离风机组的一侧。风机控制和驱动单元依据采集到的数据建立风速估计模型，根据风速估计模型估算风场形成区域内目标点风速，并能够对目标点风速进行控制，采用该系统克服了无法使用固定风机在无法安装风速传感器的区域形成可控风场的问题。

Description

一种基于风速估计模型的多风机协同风场系统
技术领域
本发明涉及一种多风机协同的风场系统，特别涉及一种基于风速估计模型的多风机协同风场系统。
背景技术
目前，公知的风场产生方法有：普通风机、轴流压缩机和贮气罐等。风洞中各点风速一般是均匀和可控的，但是风洞的设计和建设的成本很高。而普通风机产生的风场风速是变化的，而且在使用中风场内指定位置风速难以直接测量，如果放置传感器又会影响风场空间的使用，因此如何构建一个在一定程度上可控的大面积的风场，是很多行业和专业化应用过程中的一个重要的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于风速估计模型的多风机协同风场系统，该风场系统不仅可在风场形成区域的指定目标点形成风速可控的风场，并且避免了在风场形成区域布置传感器影响风场空间的问题。
所述的基于风速估计模型的多风机协同风场系统：包括：风机组、两个风速传感器、风机控制和驱动单元，令两个风速传感器分别为风速传感器A和风速传感器B；
所述风机组包括两个以上呈阵列式分布的风机，且所述风机组中所有风机的出风口朝向相同；
在所述风机组所形成的风场内设置两个风速传感器，两个风速传感器均位于风场测试区域外部，所述风场测试区域为在风机组所形成的风场内选定的测试区域，其中风速传感器A位于风机组和风场测试区域之间，风速传感器B位于风场测试区域远离风机组的一侧，风机组启动后，两个风速传感器分别测量其所在位置处的风速值，并发送给所述风机控制和驱动单元；
所述风机控制和驱动单元依据接收到的两个风速传感器所测量的风速值，结合风机频率拟合得到风速估计模型；依据拟合得到的风速估计模型，估算风场测试区域内指定目标点的风速；
所述风机控制和驱动单元能够对风机组中的各风机的频率进行单独控制，实现对各风机风速的单独控制。
当需要对风场测试区域内指定目标点的风速值进行控制，即将风场测试区域内指定目标点的风速控制在设定值时：所述风机控制和驱动单元依据该设定值和风速估计模型计算当目标点的风速为该设定值时两个风速传感器所在位置处的风速值；然后控制风机组中各风机的频率，使两个风速传感器所测得的风速值与计算的风速值一致。
所述风机控制和驱动单元内部预存有协同控制策略，所述协同控制策略指风机组中各风机在不同频率的组合下，两个风速传感器所在位置的风速值。
有益效果
(1)该风场系统不仅可在风场形成区域的指定目标点形成风速可控的风场，克服了无法使用固定风机在无法安装风速传感器的区域形成可控可变风场的问题，避免了在风场形成区域布置传感器影响风场空间的问题，
(2)本发明通过对风场内特征点(即固定风速传感器和风速测试传感器)的风速标定和建模、目标点风速的估计和对风机组的协同反馈控制，实现了科学的、低成本的大面积可控风场的构建。
附图说明
图1为本发明的风场系统的组成图；
图2为本发明的风场系统的风机组排布示意图。
其中：1-风机组，2-固定风速传感器，3-风速测试传感器，4-风场测试区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步描述。
本实施例提供一种基于风速估计模型的多风机协同风场系统，通过该风场系统能够构建可控的大面积风场，且能够避免在风场测试区域布置传感器影响风场空间的问题。
如图1所示，该多风机协同风场系统包括：风机组1、两个风速传感器和风机控制和驱动单元，两个风速传感器分别为固定风速传感器2和风速测试传感器3；
风机组1的结构如图2所示，包括固定座和支撑在固定座上两个以上风机，两个以上风机呈阵列式分布在固定座上，且所有风机的出风口朝向相同。
将风机组1所形成的风场内风速较为稳定的区域作为风场测试区域4，通常为风机组1所形成的风场的中间区域；然后在风机组1所形成的风场内设置两个风速传感器，两个风速传感器均位于风场测试区域4外部，从而避免在风场测试区域布置传感器影响风场空间的问题。其中固定风速传感器2通过固定支架固定在风机组1和风场测试区域4之间，风速测试传感器3通过可移动支架设置在风场测试区域4远离风机组1的一侧，风机组1启动后，固定风速传感器2和风速测试传感器3分别测量其所在位置处的风速值。风速测试传感器3的位置依据实际需要设置，通过可移动支架能够改变风速测试传感器3的位置。
固定风速传感器2和风速测试传感器3分别与风机控制和驱动单元电连接，用于将采集到的风速值发送给风机控制和驱动单元；同时风机控制和驱动单元能够对风机组1中的各风机进行单独控制，所述控制指控制风机电机的频率，从而实现对风机风速的控制。
通过建立风速估计模型能够得到风场测试区域4内某个目标点的风速。为建立风速估计模型，需获得风机组在不同频率(该频率指风机电机的频率，为降低模型难度，每次测试时，风机组内各风机频率相同，令该频率为风机组频率)下固定风速传感器2和风速测试传感器3所测得的风速值；基于此，将风机组频率按设定规律逐渐升高，两个风速传感器分别测量其所在位置处的风速值，并分别将其测量的数据发送给风机控制和驱动单元。
风机控制和驱动单元接收到两个风速传感器所测量的风速值后，结合风机组频率进行基于最小二乘法的数据拟合得到风速估计模型，风速估计模型的获得方法为现有技术，依据拟合得到的风速估计模型，可估算风场测试区域4内指定目标点的风速。
依据现有技术中三种不同的风速估计模型，风场测试区域4内指定目标点的风速计算方法有以下三种：
一：根据不同风机组频率下风速测试传感器3测量的风速值，与风机组频率进行拟合，得出风速估计模型的拟合函数；然后使用时将风机组频率作为自变量，实时获得风场内指定目标点的风速值。
二：计算不同风机组频率下固定风速传感器2和风速测试传感器3所测得的风速值的差值，然后与风机组频率进行拟合，得出风速估计模型的拟合函数；然后使用时将风机组频率与固定风速传感器2测量的风速值作为自变量，实时获得风场内指定目标点的风速值。
三：根据不同风机组频率下固定风速传感器2和风速测试传感器3所测得的风速值，与风机组频率进行拟合，得出风速估计模型的拟合函数；然后使用时根据固定风速传感器2测量的风速值，实时获得风场内指定目标点的风速值。
在使用过程中根据所形成的风场的类型以及所能获取的物理量来选择相应模型。
由此能够依据间接采集的风速值估计得到的风场测试区域4内目标点的风速值。当需要对目标点的风速值进行控制时，如需将风场测试区域4内指定目标点的风速控制在风速值V目时，风机控制和驱动单元依据V目和风速估计模型反推计算固定风速传感器2和/或风速测试传感器3所在位置处的风速值；然后风机控制和驱动单元依据其内部预设的协同控制策略(风机组中各风机不同风机频率的组合下，固定风速传感器2和/或风速测试传感器3所在位置处的风速值)，分别对风机组1中各风机进行单独控制，使固定风速传感器2和/或风速测试传感器3所测得的风速值与计算值一致，从而达到多风机的协同反馈控制形成可控风场的目的。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于风速估计模型的多风机协同风场系统，其特征在于：包括：风机组、两个风速传感器、风机控制和驱动单元，令两个风速传感器分别为：风速传感器A和风速传感器B；
所述风机组包括两个以上呈阵列式分布的风机，且所述风机组中所有风机的出风口朝向相同；
在所述风机组所形成的风场内设置两个风速传感器，两个风速传感器均位于风场测试区域外部，所述风场测试区域为在风机组所形成的风场内选定的测试区域，其中风速传感器A位于风机组和风场测试区域之间，风速传感器B位于风场测试区域远离风机组的一侧，风机组启动后，两个风速传感器分别测量其所在位置处的风速值，并发送给所述风机控制和驱动单元；
所述风机控制和驱动单元依据接收到的两个风速传感器所测量的风速值，结合风机频率拟合得到风速估计模型；依据拟合得到的风速估计模型，估算风场测试区域内指定目标点的风速；
所述风机控制和驱动单元能够对风机组中的各风机的频率进行单独控制，实现对各风机风速的单独控制。
2.如权利要求1所述的基于风速估计模型的多风机协同风场系统，其特征在于，当需要对风场测试区域内指定目标点的风速值进行控制，即将风场测试区域内指定目标点的风速控制在设定值时：所述风机控制和驱动单元依据该设定值和风速估计模型计算当目标点的风速为该设定值时两个风速传感器所在位置处的风速值；然后控制风机组中各风机的频率，使两个风速传感器所测得的风速值与计算的风速值一致。
3.如权利要求2所述的基于风速估计模型的多风机协同风场系统，其特征在于，所述风机控制和驱动单元内部预存有协同控制策略，所述协同控制策略指风机组中各风机在不同频率的组合下，两个风速传感器所在位置的风速值。
4.如权利要求2所述的基于风速估计模型的多风机协同风场系统，其特征在于，所述风速传感器A为固定风速传感器，所述风速传感器B为可移动风速传感器。
5.如权利要求1所述的基于风速估计模型的多风机协同风场系统，其特征在于，建立风速估计模型时，将风机组频率按设定规律逐渐升高，进行两次以上测试，每次测试时，两个风速传感器分别测量其所在位置处的风速值，并分别将其测量的风速值发送给风机控制和驱动单元；每次测试时，所述风机组内各风机频率相同，令该频率为风机组频率。
6.如权利要求5所述的基于风速估计模型的多风机协同风场系统，其特征在于，风场测试区域内指定目标点的风速估算方法为：
根据风机组在不同频率下风速传感器B测量的风速值，与风机组频率进行拟合，得到风速估计模型的拟合函数；然后将风机组频率作为自变量，实时风场测试区域内指定目标点的风速值。
7.如权利要求5所述的基于风速估计模型的多风机协同风场系统，其特征在于，风场测试区域内指定目标点的风速估算方法为：
计算风机组在不同频率下风速传感器A和风速传感器B所测得的风速值的差值，与风机组频率进行拟合，得出风速估计模型的拟合函数；然后将风机组频率与风速传感器B测量的风速值作为自变量，实时风场测试区域内指定目标点的风速值。
8.如权利要求5所述的基于风速估计模型的多风机协同风场系统，其特征在于，根据风机组在不同频率下风速传感器A和风速传感器B所测得的风速值，与风机组频率进行拟合，得出风速估计模型的拟合函数；然后将风速传感器A测量的风速值作为自变量，实时风场测试区域内指定目标点的风速值。
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