基于LabVIEW CDS的風力機智能葉片控制實驗系統設計

李迺璐, 楊 華, 朱衛軍, 蔣 偉, 張繼勇

(揚州大學 水利與能源動力工程學院, 江蘇 揚州 225127)

隨著風力機向大型化、智能化發展,智能葉片技術日益引起關注。基于尾緣襟翼的風力機智能葉片可以有效減輕風力機葉片振動及疲勞載荷。目前,高校新能源科學與工程專業開設的風電實驗大多是風力機風輪特性及風力機發電控制實驗,而很少有風力機智能葉片控制方面的實驗,目前市場上也沒有關于智能葉片控制實驗的硬件實驗平臺產品。因此,在風電實驗教學中亟需開發風力機智能葉片控制的虛擬仿真實驗系統。

針對虛擬仿真實驗系統的設計與開發,美國虛擬儀器公司的LabVIEW Control Design and Simulation(LabVIEW CDS)功能模塊在系統建模、系統仿真分析、控制器設計以及控制分析等方面具有綜合開發優勢[1-4]。基于LabVIEW CDS的仿真技術可以設計出直觀、精確的復雜控制實驗系統[5-7],不僅能夠精確模擬風力機智能葉片系統,同時能夠直觀顯示智能葉片控制器的設計過程,利用LabVIEW CDS模塊的強大功能實現完整的系統建模與控制仿真。

利用LabVIEW開發的虛擬實驗控制系統已經在一系列實驗教學中成功應用[8-10]。本文首先建立風力機智能葉片系統的數學模型,并設計內模振動控制器。然后利用LabVIEW CDS模塊完成風力機智能葉片控制實驗系統的開發,包括風力機智能葉片運行監控、智能葉片系統分析、內模控制器設計以及控制數據分析等,以靈活、自主的方式幫助學生學習和掌握智能葉片控制原理及設計方法,提高學生的自主設計能力與實踐能力。

1 風力機智能葉片數學模型

對基于尾緣襟翼的風力機智能葉片翼型結構及其運行進行分析,可簡化成如圖1所示的氣動彈性模型。

圖1 風力機智能葉片翼型的氣動彈性模型圖

風力機葉片翼型具有兩自由度耦合運動位移,即揮舞位移h和扭轉角位移θ,系統的運動方程[11]為

(1)

式中,Iθ是彈性軸的轉動慣量,m是葉片的質量,b是葉片的中點,xθ是質心和彈性軸之間的無量綱距離,ch和cθ分別是揮舞位移和扭轉角的結構阻尼系數,kh和kθ分別表示揮舞位移和扭轉角的結構剛度。L和M是對彈性軸的氣動升力和氣動力矩,可以通過空氣動力學模型模擬。

有許多空氣動力學模型可以描述非定常氣動升力和氣動力矩,本文采用了一種準穩態氣動模型如下所示[12]:

(2)

式中,U是來流速度,clθ和cmθ分別是氣動升力系數和力矩系數,ρ是空氣密度,a是葉片中點和彈性軸之間的無量綱距離,β是尾緣襟翼角,cl β和cm β分別是襟翼作用下的氣動升力系數和力矩系數。

為了整理系統模型方程,公式(2)可表達為

(3)

對公式(1)和公式(3)整理后得到系統狀態空間方程為

(4)

式中

代入實際參數,可得：

(5)

分別選取傳感器輸出信號為揮舞位移和扭轉角位移,得到對應的系統傳遞函數為

(6)

式中,H(s)為揮舞位移輸出信號對應的系統傳遞函數,A(s)為扭轉角位移輸出信號對應的系統傳遞函數。

2 內模振動控制器設計

假設線性定常系統的傳遞函數為Gp(s),系統的等效過程模型為Gm(s),內模控制原理結構[13]如圖2所示,其中C(s)為內模控制器,d為擾動,r為期望輸出,y為系統輸出。

圖2 內模控制原理結構圖

將系統過程模型Gm(s)分解為模型中包含純滯后和不穩定零點的不可逆部分Gm+(s),以及模型中最小相位可逆部分Gm-(s)。假設Gm(s)通過系統辨識獲取為非最小相位二階數學模型為

(7)

式中,kp為放大倍數,β為最小相位零點,τ1和τ2為時間常數。將式(7)分解成非最小相位部分Gm-(s)與最小相位部分Gm+(s)乘積的形式：

(8)

內模控制器C(s)可設計為：

(9)

當n=2時,利用過程模型和內模控制器設計的反饋控制器為Gc(s)：

(10)

此時控制量為u=Gc(s)(r-y)。

3 實驗研究

3.1 控制系統程序框圖設計

在LabVIEW環境中，采用CDS功能模塊來實現風力機智能葉片控制系統的虛擬仿真。采用LabVIEW CDS模塊的控制與仿真循環程序框建立系統微分方程的數學模型,采用CDS模塊中的多種功能子模型,如CD構造零極點增益模型、CD波特、CD繪制零極點增益方程、CD除法/乘法模型等建立系統過程模型(見圖3)，并實現內模振動控制器的設計與仿真。

程序設計主要包括：

(1) 登錄程序設計：保證用戶名和密碼輸入正確時才能夠進入實驗系統；

(2) 風力機智能葉片系統建模程序設計：利用CDS模塊中的仿真子模塊以及MathScript程序框建立系統數學模型并計算設置系統參數，見圖3(a),利用CD波特模塊分析葉片振動系統的頻率特性；

圖3 風力機智能葉片控制系統程序框圖

(3) 內模振動控制器設計：利用CD零極點構建模塊、CD零極點方程模塊、CD零極點繪圖模塊等,設計過程模型傳遞函數和濾波器函數,完成建立內模控制器函數(見圖3(b))；

(4) 控制仿真與分析程序設計：采用控制與仿真循環程序框設置封裝的系統模型程序以及內模控制器程序,形成閉環控制回路仿真系統(見圖3(c))。

3.2 實驗結果

(1) 系統登錄。當輸入用戶名及密碼全部正確,按下“登錄”按鈕即可進入“智能風力機葉片運行監控系統”主界面。

(2) 主界面監控運行。風力機智能葉片運行監控系統主界面如圖4所示。界面清晰、直觀地展示了風力機葉片翼型的氣動力原理、智能葉片結構圖、氣動彈性原理,具有良好的人機交互界面；主界面中實時顯示系統的主要參數,包括兩自由度的振動量(即揮舞位移和扭轉角)和控制驅動量(即尾緣襟翼角)。通過主監控界面,從總體上顯示風力機智能葉片工作原理。

圖4 智能風機葉片監控系統主界面運行圖

(3) 智能葉片系統仿真實驗。首先,可在“等效葉片模型參數設計”框圖內設計系統等效過程模型的傳遞函數。當按下綠色的啟動按鈕時,分析界面開始運行,針對等效葉片模型及智能葉片模型(系統輸出為扭轉角或揮舞位移)分別構造零極點增益方程,并分析繪制這些方程的幅頻特性曲線和相頻特性曲線,實時運行如圖5所示。可以觀測到系統模型和等效葉片模型的頻率響應都是穩定的,滿足內模控制穩定的充要條件。

圖5 智能風機葉片分析界面運行圖

(4) 內模控制器設計實驗。圖6為智能葉片內模振動控制器的設計原理及設計結果。在界面左半部分直觀、清晰地展示內模控制原理和內模控制器的設計步驟；在界面右半部分，學生可以通過調節濾波器的時間參數和階數,自行設計低通濾波器,完成基于濾波器的內模控制器設計。在界面中,可以實時觀測到所設計的內模控制器傳遞函數及其零極點圖。當改變濾波器參數時,可以觀測到控制器的明顯變化。

圖6 內模控制器設計界面運行圖

(5) 仿真控制實驗。針對輸出為扭轉角和揮舞位移的風力機智能葉片系統模型，分別進行內模振動控制仿真實驗,實驗結果如圖7所示。

圖7 內模控制界面初始圖

圖7中界面左半部的控制原理圖中實時顯示系統模型的傳遞函數以及等效葉片模型和內模控制器的傳遞函數；界面右半部設置按鈕,點擊按鈕將顯示葉片振動位移的控制響應和等效模型的響應。通過實驗可以觀測到內模控制器成功地抑制了葉片揮舞位移和扭轉角振動量,并穩定在設置的階躍幅值。實驗表明：針對不同傳感器輸出的模型傳遞函數,內模控制都可以很好地克服模型失配并完成振動控制,具有較強的魯棒性和穩定性。

4 結語

基于LabVIEW CDS模塊的風力機智能葉片控制實驗系統可以用來研究智能葉片內模振動控制器的設計問題,分析不同傳感器信號輸出和控制參數對風力機智能葉片振動控制的影響。該虛擬實驗系統可自主設計內模控制器,直觀、清晰地顯示風力機智能葉片結構、內模控制原理、控制設計步驟和閉環控制結果。通過實驗，學生提高了對于復雜智能葉片內模控制過程的理解，更好地掌握了風電控制技術。