CN111852763B - 一种基于漂浮式风机的容错自适应pid控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于漂浮式风机的容错自适应PID控制方法，其包括对风机桨叶机械结构进行分析，建立了描述桨距角调整动态过程的动力学方程；建立变桨系统非线性模型后，引入系统执行器故障；基于桨距角跟踪，引入速率函数，获得转换误差，从而设计控制器；用设计的控制器控制风力发电机变桨系统。本发明采用PID控制器方法，通过建立包含扰动与系统不确定性的变桨系统模型，引入速率函数，所设计的控制器增益自动自适应更新，可以有效地处理未知的执行器故障、建模不确定性和外部干扰，而不需要进行故障检测和隔离过程，消除执行器故障的影响，能保证在各种工况下降低风机载荷，维持风机功率稳定。

Description

一种基于漂浮式风机的容错自适应PID控制方法

技术领域

本发明涉及漂浮式风机发电技术领域，特别涉及一种漂浮式风机的容错控制方法。

背景技术

在实际工程中，大型海上风力发电机在恶劣环境中运行，会遇到高度变化的随机载荷，子系统故障的发生是不可避免的，虽然现有技术有了一些漂浮式风机容错控制的方法，但是还是存在以下三个问题，第一个问题是容错控制方案在控制结构和控制参数的设计上不够简单，传统容错控制方法需要基于故障检测补偿，严重依赖准确的故障信息，实际工程中存在较大误差；第二个问题是在增益参数确定的过程中，传统PID控制方法实现起来困难；第三个问题是漂浮式风机模型是时变非线性的，传统控制方法无法实现时变参数自适应，导致实际跟踪效果没有达到预期。

因此，迫切需要新的漂浮式风机容错控制方法来实现漂浮式风机功率的稳定，消除风机故障的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于漂浮式风机的容错自适应PID控制方法，以实现消除执行器故障的影响，解决现有漂浮式风机容错控制方法存在的问题。

本发明基于漂浮式风机的容错自适应PID控制方法，其包括以下步骤：

1)对风机桨叶机械结构进行分析，建立描述桨距角调整动态过程的基本微分方程：

式中，J_Li为空气质量的惯性矩；J_BLi表示与加速空气引起的质量惯性相等的值；k_DBi表示阻尼系数；k_RLi表示轴承的摩擦系数；β_i表示第i个叶片的桨距角，M_DRi表示第i个叶片变桨执行器的定位驱动扭矩，i＝1,2,3；

表示每个转子叶片的角速度,M_BLi表示叶片沿纵轴定位时的负载扭矩，M_BLi包括螺旋桨力矩、气动部件以及由于叶片偏转和转子摇摆而产生的力矩；M_BLi的具体形式如下：

M_BLi＝M_Pi+M_Lifi+M_Ti+M_bendi+M_TRi+φ_i(β₁,β₂,β₃) (2)

式中M_Pi是螺旋桨力矩；M_Lifi是由于叶片上的升力而产生的力矩；M_Ti是由于气流方向上的气动扭矩而产生的扭转力矩；M_bendi是叶片的弯矩；M_TRi是转向力矩；φ_i(β₁,β₂,β₃)描述的是由于气动干扰对转子叶片产生的不平衡载荷；

变桨系统模型进一步表示为：

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上式中：

是β的一阶导数，/>

是β的二阶导数，这里的

和

d_i＝M_BLi

其中M(·)是可逆的，另外M(·)的导数

满足/>

b是一个正常数；

2)在执行器故障的情况下，实际控制表示为：

u_a＝ρ(t)u+ε(t) (6)

式中u是变桨执行器的控制输入，ε(t)表示控制输入中的不可控部分，ρ(t)是反映叶片变桨执行器有效性的健康因子，而且0＜ρ(t)＜1；

3)引入如下速率函数:

其中0＜b_f＜＜1是设计参数，

根据

的定义，速率函数可以写为:

式中0＜T＜∞是用户指定的一个给定的有限时间，κ(t)是时变非递减函数，满足κ(0)＝1，

κ(t)是连续的,定义/>

b_f＜1是加速模式，b_f＝1是普通模式；

4)误差转换，定义e＝β-β^*为每三个桨距角的跟踪误差矢量，定义

为每三个桨距角的跟踪误差矢量的导数，β为桨距角，β^*是期望桨距角，/>

是β^*的一阶导数，则：/>

为e的二阶导数，引入有限时间误差变换如下：

ξ(t)＝η(t)e (10)

5)设计控制器，控制器u表达式为：

u＝-(k_D0+k_D(·))E (11)

其中k_D0是常数，

是a的估计；γ＞0是用户定义的参数；a_f＝max{||D(·)||,||N(·)||,||M(·)||,||d||}；/>

6)用设计的控制器u去控制漂浮式风机。

本发明的有益效果：

1、本发明基于漂浮式风机的容错自适应PID控制方法，其中的控制器采用PID形式，控制增益自适应更新，解决了在系统非线性特性与外部扰动，变桨执行器故障的情况下快速有效的变桨的技术问题，能保证在各种工况下降低风机载荷，维持风机功率稳定。

2、本发明基于漂浮式风机的容错自适应PID控制方法，其通过引入一种新的非线性变桨系统描述，基于桨距角跟踪误差变换，设计了一种低成本的PID自适应控制器。不同于以往针对变桨系统故障的容错控制方法，该控制器可以有效地处理未知的执行器故障、建模不确定性和外部干扰，而不需要进行故障检测和隔离过程，即可消除执行器故障的影响。

附图说明

图1为第i片桨叶变桨机构机械示意图；

图2为叶片桨距角调节原理框架图；

图3为外界风速图；

图4为漂浮式风机期望桨距角图；

图5为故障条件下叶片1桨距角跟踪误差图，(a)图为实施例中的加速(b_f＜1)容错控制器，(b)图为普通(b_f＝1)容错控制器；

图6为故障条件下叶片2桨距角跟踪误差图，(a)图为实施例中的加速(b_f＜1)容错控制器，(b)图为普通(b_f＝1)容错控制器；

图7为无故障条件下叶片3桨距角跟踪误差图，(a)图为实施例中的加速(b_f＜1)容错控制器，(b)图为普通(b_f＝1)容错控制器；

图8为风机输出功率图，图中实线为无故障条件下风机输出功率，虚线为实施例中的控制器在故障条件下风机输出功率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图所示，本实施例基于漂浮式风机的容错自适应PID控制方法，其包括以下步骤：

1)对风机桨叶机械结构进行分析，建立描述桨距角调整动态过程的基本微分方程：

式中，J_Li为空气质量的惯性矩；J_BLi表示与加速空气引起的质量惯性相等的值；k_DBi表示阻尼系数；k_RLi表示轴承的摩擦系数；β_i表示第i个叶片的桨距角，M_DRi表示第i个叶片变桨执行器的定位驱动扭矩，i＝1,2,3；

表示每个转子叶片的角速度,M_BLi表示叶片沿纵轴定位时的负载扭矩，M_BLi包括螺旋桨力矩、气动部件以及由于叶片偏转和转子摇摆而产生的力矩；M_BLi的具体形式如下：

M_BLi＝M_Pi+M_Lifi+M_Ti+M_bendi+M_TRi+φ_i(β₁,β₂,β₃) (2)

式中M_Pi是螺旋桨力矩；M_Lifi是由于叶片上的升力而产生的力矩；M_Ti是由于气流方向上的气动扭矩而产生的扭转力矩；M_bendi是叶片的弯矩；M_TRi是转向力矩；φ_i(β₁,β₂,β₃)描述的是由于气动干扰对转子叶片产生的不平衡载荷。

变桨系统模型进一步表示为：

上式中：

是β的一阶导数，/>

是β的二阶导数，这里的

和

d_i＝M_BLi

其中M(·)是可逆的，另外M(·)的导数

满足/>

b是一个正常数。

2)在执行器故障的情况下，实际控制表示为：

u_a＝ρ(t)u+ε(t) (6)

式中u是变桨执行器的控制输入，ε(t)表示控制输入中的不可控部分，ρ(t)是反映叶片变桨执行器有效性的健康因子，而且0＜ρ(t)＜1。

3)引入如下速率函数:

其中0＜b_f＜＜1是设计参数，

根据

的定义，速率函数可以写为:

式中0＜T＜∞是用户指定的一个给定的有限时间，κ(t)是时变非递减函数，满足κ(0)＝1，

κ(t)是连续的,定义/>

b_f＜1是加速模式，b_f＝1是普通模式。

4)误差转换，定义e＝β-β^*为每三个桨距角的跟踪误差矢量，定义

为每三个桨距角的跟踪误差矢量的导数，β为桨距角，β^*是期望桨距角，/>

是β^*的一阶导数，则：

为e的二阶导数，引入有限时间误差变换如下：

ξ(t)＝η(t)e (10)。

5)设计控制器，控制器u表达式为：

u＝-(k_D0+k_D(·))E (11)

其中k_D0是常数，

是a的估计；γ＞0是用户定义的参数；a_f＝max{||D(·)||,||N(·)||,||M(·)||,||d||}；/>

6)用设计的控制器u去控制漂浮式风机。

采用设计的控制器u对漂浮风机独立变桨进行仿真控制。

图3显示环境风速，平均风速为18m/s的外部风速。

图5和图6是在未知故障的条件下，加速(b_f＜1)与普通速率(b_f＝1)容错控制方法桨距角跟踪误差比较图。虽然从图5(b)和图6(b)可以看出叶片1,2桨距角的跟踪误差稳定后基本在0.5deg范围内，但是还是会出现较大的瞬态误差，而从图5(a)和图6(a)可以看出叶片1,2桨距角的跟踪误差稳定后为0,通过对比加速容错控制具有更好的瞬态和稳态性能。当未知故障发生时，执行器故障能得到快速补偿，跟踪效果良好，表明该方法具有良好的容错性。

图7显示了转子叶片3在健康状态下的两种容错方案的跟踪误差，同样可以看出加速模式容错控制方法具有更好的跟踪性能和瞬态性能。

图8中，显示了漂浮式风机在采用本实施例中提出的加速容错控制方案与无故障条件下的输出功率。可以看出，功率曲线基本重合，最大差距不超过20kW,我们提出的容错控制方法能够很好地补偿未知的执行器故障，从而保证稳定的输出功率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于漂浮式风机的容错自适应PID控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)对风机桨叶机械结构进行分析，建立描述桨距角调整动态过程的基本微分方程：

式中，J_Li为空气质量的惯性矩；J_BLi表示与加速空气引起的质量惯性相等的值；k_DBi表示阻尼系数；k_RLi表示轴承的摩擦系数；β_i表示第i个叶片的桨距角，M_DRi表示第i个叶片变桨执行器的定位驱动扭矩，i＝1,2,3；

表示每个转子叶片的角速度,M_BLi表示叶片沿纵轴定位时的负载扭矩，M_BLi包括螺旋桨力矩、气动部件以及由于叶片偏转和转子摇摆而产生的力矩；M_BLi的具体形式如下：

M_BLi＝M_Pi+M_Lifi+M_Ti+M_bendi+M_TRi+φ_i(β₁,β₂,β₃) (2)

式中M_Pi是螺旋桨力矩；M_Lifi是由于叶片上的升力而产生的力矩；M_Ti是由于气流方向上的气动扭矩而产生的扭转力矩；M_bendi是叶片的弯矩；M_TRi是转向力矩；φ_i(β₁,β₂,β₃)描述的是由于气动干扰对转子叶片产生的不平衡载荷；

变桨系统模型进一步表示为：

上式中：

是β的一阶导数，

是β的二阶导数，这里的

和

d_i＝M_BLi

其中M(·)是可逆的，另外M(·)的导数

满足

b是一个正常数；

2)在执行器故障的情况下，实际控制表示为：

u_a＝ρ(t)u+ε(t) (6)

式中u是变桨执行器的控制输入，ε(t)表示控制输入中的不可控部分，ρ(t)是反映叶片变桨执行器有效性的健康因子，而且0＜ρ(t)＜1；

3)引入如下速率函数:

其中0＜b_f＜＜1是设计参数，

根据

的定义，速率函数可以写为:

式中0＜T＜∞是用户指定的一个给定的有限时间，κ(t)是时变非递减函数，满足κ(0)＝1，

κ(t)是连续的,定义

b_f＜1是加速模式，b_f＝1是普通模式；

4)误差转换，定义e＝β-β^*为每三个桨距角的跟踪误差矢量，定义

为每三个桨距角的跟踪误差矢量的导数，β为桨距角，β^*是期望桨距角，

是β^*的一阶导数，则：

为e的二阶导数，引入有限时间误差变换如下：

ξ(t)＝η(t)e (10)

5)设计控制器，控制器u表达式为：

u＝-(k_D0+k_D(·))E (11)

其中k_D0是常数，

是a的估计；γ＞0是用户定义的参数；a_f＝max{||D(·)||,||N(·)||,||M(·)||,||d||}；

6)用设计的控制器u去控制漂浮式风机。

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