CN112431717B - 一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法 - Google Patents

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Abstract

一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法，所述统一变桨系统包括滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统、变桨控制系统和步进电机，所述变桨控制系统内置准稳态气动力计算方法和基于输入量限制的线性矩阵不等式(LMI/IL)控制方法，本发明基于滚珠丝杆传动与连杆运动的联动结构系统。由变桨控制系统发出指令，驱动步进电机带动传动齿轮传动，从而带动联动结构系统，实现叶片的统一变桨运动。LMI/IL算法是基于临界颤振状态的判定，处理准稳态气动力激励下的准稳态气弹系统，计算出符合颤振抑制要求的“理论变桨规律”，并跟踪和优化变桨过程，避开临界颤振区域，使得叶片的实际变桨规律，能满足失速颤振抑制的要求。

Description

一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法
技术领域
本发明属于小型风力发电机叶片失速颤振抑制技术领域，具体地说，涉及一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法。
背景技术
近年来，风力发电新能源技术得到了很大的发展，尤其风能捕获机械方面。小型风力机叶片在失速非线性气动力作用下，可能发生断裂失效。现有技术中常规的变桨方式大都采用常规的机械传动、液压传动来实现，机械传动存在所需机械设备笨重、安装复杂、驱动不平稳等缺陷，采用液压传动时存在传动滞后、液压管道复杂等缺陷，此外，现有技术对叶片失速颤振采用的是直接抑制手段解决，基于此，本发明提出一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法，本设计所述滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统、准稳态气动力计算方法和基于输入量限制的线性矩阵不等式(LMI/IL)控制方法，基于临界的准稳态气动激励状态，实现气动弹性稳定性控制(简称气弹控制)，恰好能使得叶片在进入失速颤振状态之前，在临界状态下即时调节，避开颤振区域，实现颤振抑制。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种小型风力机叶片统一变桨系统及变桨方法，在临界状态下即时调节，避开颤振区域，实现颤振抑制，以抑制可能发生的失速颤振断裂失效现象。
一种小型风力机叶片统一变桨系统，所述统一变桨系统包括滚珠丝杆传动系统、叶片变桨系统、变桨控制系统和步进电机，所述滚珠丝杆传动系统包括传动齿轮、丝杆、滚珠和平移块，所述丝杆两端通过轴承与风力机机箱固定，所述传动齿轮设置在丝杆一端部，步进电机通过传动齿轮带动丝杆转动，滚珠丝杆轴传动带动平移块实现轴向位移，所述滚珠设置在丝杆和平移块之间，所述叶片变桨系统包括叶片、第一连杆和第二连杆，叶片根部、第一连杆、第二连杆和平移块依次连接，所述第一连杆轴向与叶片根部轴向平行，所述第二连杆与平移块之间采用转动副连接，所述变桨控制系统包括模拟量输入模块和数字量输出模块，所述变桨控制系统内置准稳态气动力计算方法和基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法，所述准稳态气动力计算方法用于根据模拟量输入模块输入数据判断叶片临界颤振状态，所述基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法用于计算能够达到颤振抑制效果的变桨角度值，所述变桨角度值通过数字输出模块输出至步进电机驱动器。
进一步地，所述变桨系统还包括测振传感器和风速传感器，所述测振传感器设置在叶片尖部且在空心叶片内部，所述风速传感器设置在叶片根部，所述测振传感器与风速传感器与模拟量输入模块信号连接。
进一步地，所述丝杆两端分别设置有左轴承和右轴承，所述左轴承与风机机箱顶部嵌入式安装，所述右轴承通过支架与风机机箱连接。
进一步地，所述传动齿轮为齿轮环结构，通过齿轮环的内齿与丝杆右端固定。
进一步地，所述准稳态气动力计算方法的计算公式为：
Figure GDA0003202468540000021
Figure GDA0003202468540000022
式中：F为气动升力、M为力矩，ρa为空气密度，Ae为翼型截面面积，b为半弦长，W0、W1为准稳态气动变量W0、W1；
准稳态气动变量W0、W1的具体计算公式为：
Figure GDA0003202468540000023
其中，α为攻角、z为挥舞位移、V0为相对风速；
相对风速V0计算公式为：
Figure GDA0003202468540000024
式中：r为翼型位置、Ω为风轮转速、U为风速。
进一步地，所述基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法包括LMI算法和LMI/IL算法，
进一步地，所述平移块呈套筒形状，套接于丝杆上，三个转动副均匀轴向分布在平移块上。
进一步地，所述变桨控制系统核心为西门子TIA控制中心，CUP采用S7-1200PLC。
一种小型风力机叶片统一变桨系统的变桨方法，所述的变桨方法具体包括以下步骤：
步骤1、模拟量输入模块采集叶片挥舞振动信号和风速信号；
步骤2、变桨控制系统调用准稳态气动力计算方法判断叶片的挥舞振动是否处于低频等幅的临界颤振状态、风速是否近为临界颤振风速，若否，返回步骤1，如果是，进入步骤3；
步骤3、临界颤振持续一段时间后，变桨控制系统调用基于准稳态气动力的气弹系统预制处理程序，并结合基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法的LMI算法，计算出能够达到颤振抑制效果的理论变桨角度；
步骤4、变桨控制系统将理论变桨角度赋值给赋给基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法的LMI/IL算法，继续由LMI/IL算法进行计算获取变桨角度值；
步骤5、变桨控制系统将变桨角度值输出到数字量输出模块，数字量输出模块发出相应的脉冲信号和方向信号，输入到步进电机驱动器，驱动步进电机转动，从而带动传动齿轮传动，实现叶片变桨。
进一步地，所述步骤4中，所述变桨角的理论值是波动的随时间变化，将变桨角的理论值赋给LMI/IL算法后，如果波动的理论值的最大值小于等于85度，则实施纯粹跟踪行为，使得实际变桨角度尽可能跟踪理论值变化；如果波动的理论值的最大值大于85度时，则实施跟踪优化，并不断反馈，在保证跟踪理论摆角的前提下，优化跟踪曲线，同时利用基于Nussbaum函数的反演控制，不断优化以满足颤振抑制要求，使得变桨角的实际值不会超过85度。
本发明小型风力机定义为：具有标准翼型的、弦长不大于0.6m的、叶片展长长度不大于8m的、空心复合材料三叶片可变桨风力机。
有益效果：与现有技术相比，本发明可以获得以下原创性技术效果：
1)、提出了从结构到控制的一整套的基于滚珠丝杆的小型风力机叶片统一变桨系统的完整的可实施方案。结构创新体现在滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统的“联动结构”的结构创新。
2)、提出了失速颤振发生之前的临界颤振状态下的小型风力机叶片的准稳态原创气动力模型、包括气动升力和力矩两部分。
3)、提出了利用步进电机来驱动滚珠丝杆的变桨运动方案，与常规的机械传动、液压传动相比，具有独特的优点：与机械的完全齿轮传动变桨相比较，具有重量轻、安装方便、驱动简单、传动平稳、驱动速度“即时可控”等诸多优点；与液压传动相比，具有无滞后、无复杂的液压管道等优点。
4)、提出了与滚珠丝杆传动驱动相匹配的智能控制方案，特别地，“LMI/IL算法”与“步进驱动滚珠丝杆”能完美匹配，驱动速度“即时可控”，实现实时跟踪。跟踪和优化采用了一种基于Nussbaum函数的反演控制算法，在优化过程中实现限幅。属于控制算法实际应用的创新。
5)、提出了临界颤振抑制的一整套方案，与传统的直接抑制“失速颤振”相比较，属于“防患于未然”的先期手段。在“失速颤振”发生之前，提前通过对准稳态气动力激励的处理，避开失速颤振区域，不仅节约了控制成本，而且避开了直接对“失速非线性”气动力作用下的非线性气弹系统处理的难度。
附图说明
图1为本发明带有三叶片结构的基于滚珠丝杆的小型风力机叶片统一变桨系统结构的结构半剖示意图；
图2为本发明滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统的“联动结构”示意图；
图3为本发明最大变桨角度θ和平移块最大行程h示意图；
图4为本发明实施例的基于LMI/IL算法的控制流程图。
图中：1、左轴承，2、叶片，3、连杆结构，4、平移块，5、丝杆，6、右轴承，7、传动齿轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图对本发明作进一步阐述：
一种小型风力机叶片统一变桨系统，包括：滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统、变桨控制系统和步进电机。所述变桨控制系统内置准稳态气动力计算方法和基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法；所述基于输入量限制的线性矩阵不等式(LMI/IL)控制方法，包括两个方面。当叶片在持续临界风速下处于临界颤振状态时，一种情况下直接利用线性矩阵不等式(LMI)实现跟踪控制，另一种情况下利用LMI/IL来实现跟踪优化过程。
所述滚珠丝杆传动系统包括传动齿轮7、丝杆5、滚珠、平移块4；所述叶片变桨系统包括叶片2、第一连杆和第二连杆；
图2是本发明实施例的滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统的“联动结构”示意图。左轴承1与机箱壳顶部嵌入式安装，右轴承6固定丝杆5，传动齿轮7利用齿轮环的内齿固定在丝杆轴右端(不用平键)。步进电机提供动力，带动传动齿轮7实现传动。丝杆5转动时，滚珠位于丝杆5和平移块4之间，滚珠丝杆传动带动平移块4实现平移移动，平移块4周向固定，只有轴向位移。平移块4移动时，带动连杆机构3运动，实现叶片2根部绕着根部中心转动，此即为变桨运动，连杆机构3包括第一连杆和第二连杆。叶片2与平移块4之间是两个实际的连杆，其中第一连杆固定在叶片根部、垂直于横截面，所述第一连杆轴向与叶片根部轴向平行，第二连杆与平移块通过转动副连接。平移块是呈套筒形状的结构，三个转动副对称周向分布在平移块上。平移块移动时，通过三个连杆机构，同时带动三个叶片实现统一变桨运动。丝杆两端利用轴承座固定，滚珠丝杆传动：丝杆周向转动，平移块周向固定，只有轴向位移。
图3是本发明的最大变桨角度θ和平移块最大行程h示意图。设定在叶片变桨运动左极限位时，连杆与丝杆平行(同平行于平移块移动轴)，平移块带动连杆向右运动时，连杆与丝杆开始不平行，直到叶片转动位置为右极限位。衡定两个极限位置，并考虑连杆的长度，可以推导出最大变桨角度θ和平移块最大行程h的关系。
所述小型风力机叶片的结构为具有标准翼型的空心结构，叶片材料适用于各类复合材料。在失速颤振发生之前的临界状态下(以临界颤振状态持续发生、临界风速持续出现为信号)，变桨控制系统检测到临界状态持续发生时，启动步进电机，驱动滚珠丝杆传动系统，从而实现叶片统一变桨运动，改变了气动升力和力矩在翼型的分布，从而近一步改变了准稳态气动力沿整个叶片展长的分布和气动作用，使得叶片运行状态避开失速颤振区域，实现颤振抑制。
如上所述的改变准稳态气动力沿叶片展长的分布和气动作用，需要通过智能控制算法控制变桨运动来实现。LMI算法通过临界风速和准稳态气动力的作用，通过求解临界气弹系统，得出实现临界颤振抑制所需要的理论的变桨角数值(随着时间变化的理论的角度波动曲线)；当理论角度值大于85度时，LMI/IL算法及时驱动滚珠丝杆系统，实时驱动叶片变桨，使得叶片的实际变桨角及时跟踪理论变桨角的变化，并通过优化调节使得最大实际变桨角度小于等于85度，从而实现颤振抑制。当理论角度值小于等于85度时，直接跟踪而无需优化过程。
如上所述，“LMI/IL算法”与“驱动滚珠丝杆”能完美匹配，通过脉冲控制步进电机的步进动作，实现实时跟踪，不仅能通过“步进运动”实现变桨角度随时间的最优化波动，而且能通过“输入限制”起到角度限制的作用，属于控制算法实际应用的创新。跟踪和输入限制，以及优化过程采用了基于Nussbaum函数的反演控制算法，克服了单纯反演控制算法易产生“偏导奇异”的现象，不仅提高了跟踪速度，还提高了优化效果。
如上所述，用来描述叶片临界颤振状态下的翼型的准稳态气动力模型，准稳态气动力计算方法的计算、气动升力F和力矩M的表达式公式如下：
Figure GDA0003202468540000051
Figure GDA0003202468540000052
其中，ρa为空气密度，Ae为翼型截面面积，b为半弦长；准稳态气动变量W0、W1分别为：
Figure GDA0003202468540000053
其中，α为攻角，z为挥舞位移。V0为相对风速，可以描述为翼型位置r和风轮转速Ω以及风速U的函数
Figure GDA0003202468540000054
准稳态气动力计算方法可以描述为叶片的挥舞位移和攻角，以及风速的函数，而相关变量的系数项都与翼型截面的弦长有关。
如上所述，特别强调滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统的“联动结构”的结构创新。步进电机通过齿轮传动带动丝杆转动，利用滚珠丝杆传动推动平移快发生轴向位移。叶片与平移块通过“变型的四连杆机构”连接。中间两个实际连杆的连接点，其摆动平面与叶片根部的“截平面”平行。平移块移动时，通过连杆机构来推动叶片转动，实现变桨运动。
当临界颤振状态来临时，首先利用LMI算法处理叶片的临界颤振气弹系统，得出克服颤振所需的理论变桨角波动规律，当理论变桨角的最大值小于等于85度时，继续利用LMI算法驱动步进电机，实现实际变桨角对理论变桨角的跟踪。当理论变桨角的最大值大于85度时，启动LMI/IL算法对实际变桨角的波动过程中的最大值进行优化和限制，从而达到限幅的目的。所述的“临界颤振”，其临界颤振状态特征为叶尖挥舞位移的“低频等幅颤振”。低频等幅颤振状态的确立，可以通过安置在叶尖(空心叶片内部)的测振传感器来检验。低频的“频率范围”根据具体叶片的展长长度和翼型弦长的最大值，进行实际标定。
一种基于滚珠丝杆的小型风力机叶片统一变桨系统的变桨方法，所述的变桨方法具体包括以下步骤：
步骤1、模拟量输入模块采集叶片挥舞振动信号和风速信号；
步骤2、变桨控制系统调用准稳态气动力计算方法判断叶片的挥舞振动是否处于低频等幅的临界颤振状态、风速是否近为临界颤振风速，若否，返回步骤1，如果是，进入步骤3；
步骤3、临界颤振持续一段时间后，变桨控制系统调用基于准稳态气动力的气弹系统预制处理程序，并结合基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法的LMI算法，计算出能够达到颤振抑制效果的理论变桨角度；
步骤4、变桨控制系统将理论变桨角度赋值给赋给基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法的LMI/IL算法，继续由LMI/IL算法进行计算获取变桨角度值；所述变桨角的理论值是波动的随时间变化，将变桨角的理论值赋给LMI/IL算法后，如果波动的理论值的最大值小于等于85度，则实施纯粹跟踪行为，使得实际变桨角度尽可能跟踪理论值变化；如果波动的理论值的最大值大于85度时，则实施跟踪优化，并不断反馈，在保证跟踪理论摆角的前提下，优化跟踪曲线，同时利用基于Nussbaum函数的反演控制，不断优化以满足颤振抑制要求，使得变桨角的实际值不会超过85度；
步骤5、变桨控制系统将变桨角度值输出到数字量输出模块，数字量输出模块发出相应的脉冲信号和方向信号，输入到步进电机驱动器，驱动步进电机转动，从而带动传动齿轮传动，实现叶片变桨。
本发明公开的基于滚珠丝杆的小型风力机叶片统一变桨系统，包括滚珠丝杆传动系统、叶片统一变桨系统、准稳态气动力计算方法、以及基于输入量限制的线性矩阵不等式(LMI/IL)控制方法。机械结构是基于滚珠丝杆传动与“变型的四连杆”运动的“联动结构”系统。由控制系统发出指令，驱动步进电机带动传动齿轮传动，从而带动“联动结构”系统，实现三个叶片的统一变桨运动。控制器的LMI/IL算法是基于临界颤振状态的判定，处理准稳态气动力激励下的准稳态气弹系统，计算出符合颤振抑制要求的“理论变桨规律”，并跟踪和优化变桨过程，避开临界颤振区域，使得叶片的实际变桨规律，能满足失速颤振抑制的要求。
这里的“避开临界颤振区域”，是一种防患于未然的处理方案，其实现减载的手段，不是在失速颤振来临时启动颤振抑制措施，而是提前避免失速颤振的来临，尽大可能地避免了因叶片的失速颤振带来的断裂失效现象的发生。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型风力机叶片统一变桨系统，其特征在于，所述统一变桨系统包括滚珠丝杆传动系统、叶片变桨系统、变桨控制系统和步进电机，所述滚珠丝杆传动系统包括传动齿轮、丝杆、滚珠和平移块，所述丝杆两端通过轴承与风力机机箱固定，所述传动齿轮设置在丝杆杆一端部，步进电机通过传动齿轮带动丝杆转动，滚珠丝杆轴传动带动平移块实现轴向位移，所述滚珠设置在丝杆和平移块之间，所述叶片变桨系统包括叶片、第一连杆和第二连杆，叶片根部、第一连杆、第二连杆和平移块依次连接，所述第一连杆轴向与叶片根部轴向平行，所述第二连杆与平移块之间采用转动副连接，所述变桨控制系统包括模拟量输入模块和数字量输出模块，所述变桨控制系统内置准稳态气动力计算方法和基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法，所述准稳态气动力计算方法用于根据模拟量输入模块输入数据判断叶片临界颤振状态，所述基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法用于计算能够达到颤振抑制效果的变桨角度值，所述变桨角度值通过数字输出模块输出至步进电机驱动器。
2.根据权利要求1所述的一种小型风力机叶片统一变桨系统，其特征在于，所述变桨系统还包括测振传感器和风速传感器，所述叶片的结构为具有标准翼型的空心结构，所述测振传感器设置在叶片尖部且在空心叶片内部，所述风速传感器设置在叶片根部，所述测振传感器与风速传感器与模拟量输入模块信号连接。
3.根据权利要求1所述的一种小型风力机叶片统一变桨系统，其特征在于，所述丝杆两端分别设置有左轴承和右轴承，所述左轴承与风机机箱顶部嵌入式安装，所述右轴承通过支架与风机机箱连接。
4.根据权利要求1所述的一种小型风力机叶片统一变桨系统，其特征在于，所述传动齿轮为齿轮环结构，通过齿轮环的内齿与丝杆右端固定。
5.根据权利要求1所述的一种小型风力机叶片统一变桨系统，其特征在于，所述准稳态气动力计算方法的计算公式为：
Figure FDA0003202468530000011
Figure FDA0003202468530000012
式中：F为气动升力、M为力矩，ρa为空气密度，Ae为翼型截面面积，b为半弦长，W0、W1为准稳态气动变量W0、W1；
准稳态气动变量W0、W1的具体计算公式为：
Figure FDA0003202468530000013
其中，α为攻角、z为挥舞位移、V0为相对风速；
相对风速V0计算公式为：
Figure FDA0003202468530000021
式中：r为翼型位置、Ω为风轮转速、U为风速。
6.根据权利要求1所述的一种小型风力机叶片统一变桨系统，其特征在于，所述基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法包括LMI算法和LMI/IL算法，
7.根据权利要求1所述的一种小型风力机叶片统一变桨系统，其特征在于，所述平移块呈套筒形状，套接于丝杆上，三个转动副均匀轴向分布在平移块上。
8.根据权利要求1-7之一所述的一种小型风力机叶片统一变桨系统，其特征在于，所述变桨控制系统核心为西门子TIA控制中心，CUP采用S7-1200PLC。
9.一种采用权利要求1一种小型风力机叶片统一变桨系统的变桨方法，其特征在于，所述的变桨方法具体包括以下步骤：
步骤1、模拟量输入模块采集叶片挥舞振动信号和风速信号；
步骤2、变桨控制系统调用准稳态气动力计算方法判断叶片的挥舞振动是否处于低频等幅的临界颤振状态、风速是否近为临界颤振风速，若否，返回步骤1，如果是，进入步骤3；
步骤3、临界颤振持续一段时间后，变桨控制系统调用基于准稳态气动力的气弹系统预制处理程序，并结合基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法的LMI算法，计算出能够达到颤振抑制效果的理论变桨角度；
步骤4、变桨控制系统将理论变桨角度赋值给赋给基于输入量限制的线性矩阵不等式控制方法的LMI/IL算法，继续由LMI/IL算法进行计算获取变桨角度值；
步骤5、变桨控制系统将变桨角度值输出到数字量输出模块，数字量输出模块发出相应的脉冲信号和方向信号，输入到步进电机驱动器，驱动步进电机转动，从而带动传动齿轮传动，实现叶片变桨。
10.根据权利要求9所述的变桨方法，其特征在于，所述步骤4中，所述变桨角的理论值是波动的随时间变化，将变桨角的理论值赋给LMI/IL算法后，如果波动的理论值的最大值小于等于85度，则实施纯粹跟踪行为，使得实际变桨角度尽可能跟踪理论值变化；如果波动的理论值的最大值大于85度时，则实施跟踪优化，并不断反馈，在保证跟踪理论摆角的前提下，优化跟踪曲线，同时利用基于Nussbaum函数的反演控制，不断优化以满足颤振抑制要求，使得变桨角的实际值不会超过85度。
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