基于LabVIEW CDS的風力機葉片經典顫振監控系統設計

許博杰 方正哲 潘佳男

摘 要：基于Beddoes-Leishman氣動模型設計風力機葉片控制系統。利用LabVIEW CDS模塊搭建出經典顫振模型，并對其進行經典顫振特性分析。在此基礎上，設計PID、LQR、Adaptive Control控制器對風力機在不穩定情況下進行校正。

關鍵詞：風力機；經典顫振；自動控制系統；LabVIEW

中圖分類號：TK83 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）08-0176-04

Absrtact：The control system of the wind turbine blades was designed based on the Beddoes-Leishman dynamic model. The classical flutter model is built by using LabVIEW CDS module，and the classical flutter characteristics are analyzed. On this basis，PID，LQR and Adaptive Control controllers are designed to correct the wind turbine under unstable conditions.

Keywords：wind turbine；classical flutter；automatic control system；LabVIEW

0 引 言

眾多的可再生能源技術開發中，風力發電是世界上增長最快的能源。近年來隨著風力機型的增大，其葉片展向長度也隨之加大。因此在慣性力、彈性力和復雜氣動負載力耦合作用下，葉片會出現顫振現象。經典顫振問題是研究大型風力機葉片安全穩定運行的一個重要問題。水平風力機葉片的經典顫振為氣流流動基本附著無明顯分離情況下，風機葉片扭轉自由度和揮舞自由度產生的自激振蕩。如今風電場大多采用自動化運行方式，如果沒有一套完備的監控系統，將導致運行人員無法對風力機運行過程中出現的問題及時控制，可能導致葉片及風力機組出現故障，嚴重時可致使風力機葉片斷裂和損毀，造成不可挽回的巨大經濟損失。

1 基于LabVIEW CDS的風力機葉片經典顫振模型仿真模擬

圖1所示風力機葉片的經典顫振運動包括揮舞和扭轉，分別由揮舞彎曲位移h和扭轉偏移角度θ來表示。兩自由度揮舞-扭轉耦合的葉片結構模型運行方程可表示為：[1]

仿真界面如圖1所示。

2 基于LabVIEW CDS的風力機葉片經典顫振特性分析

針對葉片顫振速度分析系統設計，結果顯示，揮舞顫振發生在V*=10.2，當V*=12大于顫振速度時，揮舞和扭轉響應曲線的不穩定震蕩更加嚴重。因此，判定的顫振速度為V*=10.2，仿真結果如圖2所示。

針對葉片剛度影響分析系統設計，當固有頻率增大時，揮舞震蕩幅值相較扭轉震蕩幅值減少得更明顯。所以，剛度較大的旋轉葉片可以更好地抑制揮舞顫振。

葉片阻尼影響分析系統設計，隨著結構阻尼的增加，顫振幅值減小，調節時間也大大減小。所以，結構阻尼可以明顯改善旋轉葉片經典顫振的氣彈穩定性。

葉片揮舞/扭轉固有頻率比影響分析系統設計，隨著 的增加，揮舞自由度和扭轉自由度由不穩定變為穩定震蕩，所以，揮舞/扭轉固有頻率比的變化對葉片穩定性影響比較大，而且扭轉自由度對固有頻率的變化更為敏感。

3 基于LabVIEW CDS的風力機葉片經典顫振PID/LQR控制系統設計

首先針對風力機葉片經典顫振設計PID/LQR控制器，PID控制器可表達為：

PID控制器可以直接利用LabVIEW提供的控制器，搭建閉環負反饋控制系統。PID控制環節如圖3所示。

LQR控制器利用系統模型的狀態空間方程，分別設置不同的權矩陣Q、R的值，得到如下的仿真結果，可以看到系統從發散到穩定，雖然在最后沒有穩定在初始零狀態，但是其扭轉角可以控制在△θ→0的狀態，利用LQR控制可以明顯抑制揮舞位移。未加LQR控制器和加入控制器的仿真結果如圖4所示。

4 基于LabVIEW CDS的風力機葉片經典顫振自適應控制系統設計

自適應控制器[2]的控制目的是抑制系統的揮舞位移，并得到期望的扭轉角。選取扭轉角α作為反饋信號。為了達到控制目的，選定自適應控制率為：

其中，?D=1，y取扭轉角α，則輸出誤差ey=α。γe、γD為任意正定矩陣，決定了自適應效果，這里分別取為5、0.1。

利用LabVIEW CDS模塊的control design子模塊搭建自適應控制器，并與風力機葉片顫振仿真模型相連接。圖5為局部仿真圖。

當風速U=8m/s時，可獲得如圖6響應波形結果。

5 監控系統的設計

利用LabVIEW功能模塊和按鍵功能分別設計系統登錄界面和程序，以及設計風力機葉片運行系統主界面。后面板通過子程序，使用for循環、條件結構、數組函數、局部變量、控制與仿真工具包中的Control Design模塊實現，將等效葉片模型拆分成可逆部分和不可逆部分，并使用圖標編輯器將子程序的圖標美化，選擇適當模式引出接線端。主界面如圖7所示。

6 結 論

利用PID、LQR、自適應控制器來控制風力機葉片，在受到不同風速作用下時，通過系統辨識得出葉片運動狀態，控制器通過反饋的參數自動調整控制參數，最終使葉片揮舞振動和扭轉振動在一定時間內快速穩定，利用實時監控，可以監測出系統的運行狀態，從而能達到很好的控制效果，減少了風機葉片的損傷，對風機葉片運行監控和維護有很大作用。

參考文獻：

[1] Galvanetto U，Peiro J，Chantharasenawong C. An assessment of some effects of the nonsmoothness of the leishman-beddoes dynamic stall model on the nonlinear dynamics of a typical aerofoil section [J].Journal of Fluids and Structures，2008，24（1）：151-163.

[2] LI N，BALAS M. Aeroelastic control of a wind turbine blade using microtabs based on UA97W300-10 airfoil [J].Wind Engineering，2013，37（5）：501-516.

作者簡介：許博杰（1997.05-），男，江蘇南通人，本科在讀。電氣工程及其自動化專業；方正哲（1997.06-），男，江蘇蘇州人，本科在讀。電氣工程及其自動化專業；潘佳男（1997.03-），男，江蘇張家港人，本科在讀。電氣工程及其自動化專業。