基于LabVIEW CDS的风力机智能叶片控制实验系统设计

李迺璐, 杨 华, 朱卫军, 蒋 伟, 张继勇

(扬州大学 水利与能源动力工程学院, 江苏 扬州 225127)

随着风力机向大型化、智能化发展,智能叶片技术日益引起关注。基于尾缘襟翼的风力机智能叶片可以有效减轻风力机叶片振动及疲劳载荷。目前,高校新能源科学与工程专业开设的风电实验大多是风力机风轮特性及风力机发电控制实验,而很少有风力机智能叶片控制方面的实验,目前市场上也没有关于智能叶片控制实验的硬件实验平台产品。因此,在风电实验教学中亟需开发风力机智能叶片控制的虚拟仿真实验系统。

针对虚拟仿真实验系统的设计与开发,美国虚拟仪器公司的LabVIEW Control Design and Simulation(LabVIEW CDS)功能模块在系统建模、系统仿真分析、控制器设计以及控制分析等方面具有综合开发优势[1-4]。基于LabVIEW CDS的仿真技术可以设计出直观、精确的复杂控制实验系统[5-7],不仅能够精确模拟风力机智能叶片系统,同时能够直观显示智能叶片控制器的设计过程,利用LabVIEW CDS模块的强大功能实现完整的系统建模与控制仿真。

利用LabVIEW开发的虚拟实验控制系统已经在一系列实验教学中成功应用[8-10]。本文首先建立风力机智能叶片系统的数学模型,并设计内模振动控制器。然后利用LabVIEW CDS模块完成风力机智能叶片控制实验系统的开发,包括风力机智能叶片运行监控、智能叶片系统分析、内模控制器设计以及控制数据分析等,以灵活、自主的方式帮助学生学习和掌握智能叶片控制原理及设计方法,提高学生的自主设计能力与实践能力。

1 风力机智能叶片数学模型

对基于尾缘襟翼的风力机智能叶片翼型结构及其运行进行分析,可简化成如图1所示的气动弹性模型。

图1 风力机智能叶片翼型的气动弹性模型图

风力机叶片翼型具有两自由度耦合运动位移,即挥舞位移h和扭转角位移θ,系统的运动方程[11]为

(1)

式中,Iθ是弹性轴的转动惯量,m是叶片的质量,b是叶片的中点,xθ是质心和弹性轴之间的无量纲距离,ch和cθ分别是挥舞位移和扭转角的结构阻尼系数,kh和kθ分别表示挥舞位移和扭转角的结构刚度。L和M是对弹性轴的气动升力和气动力矩,可以通过空气动力学模型模拟。

有许多空气动力学模型可以描述非定常气动升力和气动力矩,本文采用了一种准稳态气动模型如下所示[12]:

(2)

式中,U是来流速度,clθ和cmθ分别是气动升力系数和力矩系数,ρ是空气密度,a是叶片中点和弹性轴之间的无量纲距离,β是尾缘襟翼角,cl β和cm β分别是襟翼作用下的气动升力系数和力矩系数。

为了整理系统模型方程,公式(2)可表达为

(3)

对公式(1)和公式(3)整理后得到系统状态空间方程为

(4)

式中

代入实际参数,可得：

(5)

分别选取传感器输出信号为挥舞位移和扭转角位移,得到对应的系统传递函数为

(6)

式中,H(s)为挥舞位移输出信号对应的系统传递函数,A(s)为扭转角位移输出信号对应的系统传递函数。

2 内模振动控制器设计

假设线性定常系统的传递函数为Gp(s),系统的等效过程模型为Gm(s),内模控制原理结构[13]如图2所示,其中C(s)为内模控制器,d为扰动,r为期望输出,y为系统输出。

图2 内模控制原理结构图

将系统过程模型Gm(s)分解为模型中包含纯滞后和不稳定零点的不可逆部分Gm+(s),以及模型中最小相位可逆部分Gm-(s)。假设Gm(s)通过系统辨识获取为非最小相位二阶数学模型为

(7)

式中,kp为放大倍数,β为最小相位零点,τ1和τ2为时间常数。将式(7)分解成非最小相位部分Gm-(s)与最小相位部分Gm+(s)乘积的形式：

(8)

内模控制器C(s)可设计为：

(9)

当n=2时,利用过程模型和内模控制器设计的反馈控制器为Gc(s)：

(10)

此时控制量为u=Gc(s)(r-y)。

3 实验研究

3.1 控制系统程序框图设计

在LabVIEW环境中，采用CDS功能模块来实现风力机智能叶片控制系统的虚拟仿真。采用LabVIEW CDS模块的控制与仿真循环程序框建立系统微分方程的数学模型,采用CDS模块中的多种功能子模型,如CD构造零极点增益模型、CD波特、CD绘制零极点增益方程、CD除法/乘法模型等建立系统过程模型(见图3)，并实现内模振动控制器的设计与仿真。

程序设计主要包括：

(1) 登录程序设计：保证用户名和密码输入正确时才能够进入实验系统；

(2) 风力机智能叶片系统建模程序设计：利用CDS模块中的仿真子模块以及MathScript程序框建立系统数学模型并计算设置系统参数，见图3(a),利用CD波特模块分析叶片振动系统的频率特性；

图3 风力机智能叶片控制系统程序框图

(3) 内模振动控制器设计：利用CD零极点构建模块、CD零极点方程模块、CD零极点绘图模块等,设计过程模型传递函数和滤波器函数,完成建立内模控制器函数(见图3(b))；

(4) 控制仿真与分析程序设计：采用控制与仿真循环程序框设置封装的系统模型程序以及内模控制器程序,形成闭环控制回路仿真系统(见图3(c))。

3.2 实验结果

(1) 系统登录。当输入用户名及密码全部正确,按下“登录”按钮即可进入“智能风力机叶片运行监控系统”主界面。

(2) 主界面监控运行。风力机智能叶片运行监控系统主界面如图4所示。界面清晰、直观地展示了风力机叶片翼型的气动力原理、智能叶片结构图、气动弹性原理,具有良好的人机交互界面；主界面中实时显示系统的主要参数,包括两自由度的振动量(即挥舞位移和扭转角)和控制驱动量(即尾缘襟翼角)。通过主监控界面,从总体上显示风力机智能叶片工作原理。

图4 智能风机叶片监控系统主界面运行图

(3) 智能叶片系统仿真实验。首先,可在“等效叶片模型参数设计”框图内设计系统等效过程模型的传递函数。当按下绿色的启动按钮时,分析界面开始运行,针对等效叶片模型及智能叶片模型(系统输出为扭转角或挥舞位移)分别构造零极点增益方程,并分析绘制这些方程的幅频特性曲线和相频特性曲线,实时运行如图5所示。可以观测到系统模型和等效叶片模型的频率响应都是稳定的,满足内模控制稳定的充要条件。

图5 智能风机叶片分析界面运行图

(4) 内模控制器设计实验。图6为智能叶片内模振动控制器的设计原理及设计结果。在界面左半部分直观、清晰地展示内模控制原理和内模控制器的设计步骤；在界面右半部分，学生可以通过调节滤波器的时间参数和阶数,自行设计低通滤波器,完成基于滤波器的内模控制器设计。在界面中,可以实时观测到所设计的内模控制器传递函数及其零极点图。当改变滤波器参数时,可以观测到控制器的明显变化。

图6 内模控制器设计界面运行图

(5) 仿真控制实验。针对输出为扭转角和挥舞位移的风力机智能叶片系统模型，分别进行内模振动控制仿真实验,实验结果如图7所示。

图7 内模控制界面初始图

图7中界面左半部的控制原理图中实时显示系统模型的传递函数以及等效叶片模型和内模控制器的传递函数；界面右半部设置按钮,点击按钮将显示叶片振动位移的控制响应和等效模型的响应。通过实验可以观测到内模控制器成功地抑制了叶片挥舞位移和扭转角振动量,并稳定在设置的阶跃幅值。实验表明：针对不同传感器输出的模型传递函数,内模控制都可以很好地克服模型失配并完成振动控制,具有较强的鲁棒性和稳定性。

4 结语

基于LabVIEW CDS模块的风力机智能叶片控制实验系统可以用来研究智能叶片内模振动控制器的设计问题,分析不同传感器信号输出和控制参数对风力机智能叶片振动控制的影响。该虚拟实验系统可自主设计内模控制器,直观、清晰地显示风力机智能叶片结构、内模控制原理、控制设计步骤和闭环控制结果。通过实验，学生提高了对于复杂智能叶片内模控制过程的理解，更好地掌握了风电控制技术。