一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法技术

一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法，包括如下步骤：S1，获取磁流变阻尼器力学性能的力

【技术实现步骤摘要】
一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法


[0001]本专利技术涉及风力发电机塔架减振
，具体涉及一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法。

技术介绍

[0002]随着海上风机增加，随之而来的是风机事故的逐年递增。如何解决高耸塔筒的稳定性成为了制约其发展的一个关键性因素。
[0003]由于风机属于细高的结构形式与采用更加轻质的符合材料作为塔身，此类大型柔性结构容易受到海洋外部震源影响，若采用传统的增强自身结构参数来提高其稳定性的方式既不经济也会影响其性能。
[0004]对待高耸结构的振动控制问题，国内外学者展开了丰富的研究，也取得了不错的成果。其中，大多数研究人员通过安装被动调谐质量阻尼器，抑制塔顶最大位移来达到减震目的，即通过被动控制方案来抑制风机振动。然而，由于海上环境的不确定性以及结构参数的变化，在复杂环境荷载的激励下，风机高阶模态被激发，被动控制方法不能时刻提供目标控制力，并且，被动控制只能根据系统自身的动力学行为来进行控制，在面对外界环境变化时反应有限，缺少主动性和灵活性，无法适应动态变化的需求。
[0005]而主动控制方法需要一个外力来抵消系统中的振动，尽管这种控制策略十分有效，但受其功耗成本较高等限制，在海上风机中的应用十分有限。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，面对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法，布设在风机塔架中，有效减小海上风机在外界环境荷载下的振动响应，保证风机的正常工作，进而提高风机的使用寿命和输电效率。
[0007]本申请旨在解决
技术介绍
中的问题之一。
[0008]本专利技术所采用的技术方案为：为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法；
[0009]一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法，包括如下步骤：
[0010]S1，获取磁流变阻尼器力学性能的力
‑
位移关系曲线；
[0011]S2，建立配置磁流变阻尼器的海上单桩风力结构的多自由度体系运动方程；
[0012]S3中，LQR算法根据反馈的塔基位移和速度信号计算出目标控制力向量U，并结合磁流变阻尼器的可调整阻尼力范围，得到所需期望控制力U
d
；模糊控制策略将期望控制力U
d
作为输入，以阻尼器相应电流为输出，实现从期望控制力U
d
到控制电流I的转换；将其施加在阻尼器上，进而达到实时追踪期望控制力U
d
的目的，从而降低塔架的动力反应。
[0013]本申请提供的一种技术方案，还具有以下技术特征：
[0014]优选的，S3中，LQR控制器计算风机目标控制力向量U；建立单桩风机塔架多自由度运动方程与对应的系统状态空间方程，确立控制目标函数J并选取相应的加权系数，通过最
小化目标函数J来找到满足条件的目标力向量。
[0015]优选的，S3中，构建模糊控制器，实现磁流变阻尼器阻尼期望控制力U
d
的输出，使阻尼器产生与风机塔筒振动下的主动控制力或者期望控制力U
d
等效的控制力。
[0016]主动控制力及期望控制力U
d
都可以通过LQR控制器计算得到。
[0017]优选的，S3中，LQR控制器计算风机目标控制力向量U；首先，建立单桩风机塔架多自由度运动方程与对应的系统状态空间方程，其次需要确立控制目标函数J并选取相应的加权系数，最后通过最小化目标函数J来找到满足条件的目标力向量。
[0018]优选的，S3中，LQR控制效益由以下目标函数来衡量：
[0019][0020]式中{S}为状态变量加权矩阵，{R}为控制变量加权矩阵；对于结构振动控制问题，{S}和{R}矩阵取如下形式：
[0021][0022]式中，[K]，[M]为塔筒的刚度和质量矩阵，[I]为单位矩阵，β是用来权衡结构安全性与控制经济性的一个参数，这里取β＝6
×
10
‑8；
[0023]最终求得主动目标控制力向量U为：
[0024]U(t)＝
‑
GQ(t)
[0025]其中G矩阵由下式得出：
[0026]G＝[R]‑1[B]T
P
[0027]P矩阵可由Riccati矩阵代数方程求解，Riccati方程如下形式：
[0028][0029]优选的，确定目标力向量的施加逻辑，通过力限制器算法来确定期望力向量U
d
，如下式：
[0030][0031]其中，f
idmax
与f
idmin
代表阻尼器的期望控制力U
d
的极限值，x
is
为阻尼器相对于塔筒结构的速度，sgn(x
is
)是相对于控制装置速度的符号函数，u
i
为第i个目标控制力向量。
[0032]优选的，S3中，控制系统的反馈信号为塔顶位移和速度，将信号通过卡尔曼滤波器后，得到结构的状态估计参数，输入到LQR控制器再通过力限算法得到期望控制力U
d
，再将其输入到模糊控制器，模糊控制器会根据相应的模糊规则计算出相应的控制电流I，进而使得磁流变阻尼器能够实时跟踪期望控制力U
d
，作为输入量的期望控制力U
d
的范围限定在[
‑
10，10]之间，输出量的控制电流I的范围限定在[0，4]之间，考虑到计算的精度和简便性，将模糊控制器的输入分为五个等级，分别为NB、NS、ZE、PS、PB，对应负大、负小、零、正小、正大；同理将输出分为四个等级，分别为ZE、S、B，对应零、小、大。此外，根据以网隶属度函数选取经验，输入隶属度函数采用高斯函数，输出隶属度函数采用三角函数，隶属函数曲线分别见
图5，图6。
[0033]优选的，S3中，磁流变阻尼器，输入电流越大，阻尼器的出力越大，对应的模糊规则表中，模糊推理为mamdani推理方法，去模糊化采用重心法。
[0034]优选的，S3中，最后得到的模糊规则曲线为V型。
[0035]优选的，风机的运动方程为：
[0036][0037]式中，M，C，K分别为风机结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，f为作用在塔架上的载荷向量，F赋值为风机目标控制力向量U；
[0038]将以上运动方程转化为状态方程如下：
[0039][0040]式中，是状态变量，是系统矩阵，为输入矩阵，为传输矩阵。
[0041]优选的，S1中，简化模型关系式如下：
[0042][0043]式中，F为阻尼力，c0为阻尼系数，为活塞相对缸体的位移，f
c
为库仑力，f0为由补偿器产生的摩擦力；
[0044]其中，
[0045]式中L为活塞长度，A
p
为活塞的有效面积，D为缸体内径，h为缝隙间距，η为流体的动力粘滞系数。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，获取磁流变阻尼器力学性能的力
‑
位移关系曲线；S2，建立配置磁流变阻尼器的海上单桩风力结构的多自由度体系运动方程；S3中，LQR算法根据反馈的塔基位移和速度信号计算出目标控制力向量U，结合磁流变阻尼器的可调整阻尼力范围，得到期望控制力U
d
；模糊控制策略将期望控制力U
d
作为输入，以阻尼器相应电流为输出，实现期望控制力U
d
到控制电流I的转换；将控制电流I施加在阻尼器上，实现实时追踪期望控制力U
d
，降低塔架的动力反应。2.如权利要求1所述的一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法，其特征在于，S3中，LQR控制器计算风机目标控制力向量U；建立单桩风机塔架多自由度运动方程与对应的系统状态空间方程，确立控制目标函数J并选取相应的加权系数，通过目标函数J来找到满足条件的目标力向量。3.如权利要求2所述的一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法，其特征在于，S3中，构建模糊控制器，实现磁流变阻尼器阻尼期望控制力U
d
的输出，使阻尼器产生与风机塔筒振动下的主动控制力或者期望控制力U
d
等效的控制力。4.如权利要求3所述的一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法，其特征在于，S3中，LQR控制器计算风机目标控制力向量U；首先，建立单桩风机塔架多自由度运动方程与对应的系统状态空间方程，其次需要确立控制目标函数J并选取相应的加权系数，通过目标函数J来找到满足条件的目标力向量。5.如权利要求4所述的一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法，其特征在于，S3中，LQR控制效益由以下目标函数来衡量：式中{S}为状态变量加权矩阵，{R}为控制变量加权矩阵；{S}和{R}矩阵取如下形式：式中，[K]，[M]为塔筒的刚度和质量矩阵，[I]为单位矩阵，β用于权衡结构安全性与控制经济性的一个参数，取β＝6
×
10
‑8；主动目标控制力向量U为：U(t)＝
‑
GQ(t)其中G矩阵由下式得出：G＝[R]
‑1[B]
T
PP矩阵可由Riccati矩阵代数方程求解，Riccati方程如下形式：6.如权利要求5所述的一种磁流变阻尼器的风机塔筒减振方法，其特征在于，确定目标力向量的施加逻辑，通过力限制器算法来确定期望控制力U
d
，如下式：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：林旻，乐治济，田会元，陈立，王伟，霍旭佳，陈校锋，蔡小莹，石玉琪，宋菁，靳泽伟，卢艺静，
申请(专利权)人：上海勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：