控制設(shè)計(jì)總結(jié)(最終版).

1、第一部分PI控制原理及參數(shù)求解1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行區(qū)間分類2Qi矩扭機(jī)電發(fā)QS2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于S1之前，此時(shí)發(fā)電機(jī)無功率輸出，當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速時(shí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，AB段為恒轉(zhuǎn)速階段，隨著風(fēng)速增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大。BC段為最優(yōu)控制階段，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速變化保持最佳葉尖速比， 追蹤最大功 率點(diǎn)。CD段為轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，不再進(jìn)行最大風(fēng)能追蹤，而是將機(jī) 組轉(zhuǎn)速限定在最大允許轉(zhuǎn)速。在 D點(diǎn)時(shí)，機(jī)組已經(jīng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，之后，隨著 風(fēng)速的繼續(xù)增大，機(jī)組恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，為了保護(hù)機(jī)組不受損壞，調(diào)整槳距角限制功 率。2.傳統(tǒng)PI變槳距控制->r 在各種情況下的控制細(xì)節(jié)圖'外部控制器框

2、圖上圖描述變槳控制和轉(zhuǎn)矩控制的切換條件、對(duì)應(yīng)輸出的計(jì)算值。下面將給出 在額定風(fēng)速以下的控制P讓ch controlTinrque Control測(cè)屈的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩使風(fēng)力發(fā)電機(jī)盡量獲取多的 能量，控制細(xì)節(jié)圖如下。1）能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2）轉(zhuǎn)矩控制方式通常變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均按是按照二次曲線圖進(jìn)行轉(zhuǎn)矩給定在區(qū)域2中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩TgKoptWg2(opt),其中Kopt最優(yōu)模態(tài)增益Tg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Wg(Opt )發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速。3) 啟動(dòng)和過渡區(qū)控制框圖PIPE；別2拎被控對(duì)象發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)s此處PI控制器的輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差，輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)矩。 在額定風(fēng)速以上的控制

3、風(fēng)速在額定風(fēng)速以上時(shí)，通過變槳使發(fā)電機(jī)輸出的功率維持在額定功率附 近。槳距控制此處PI控制器的輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差，輸出為葉片槳距角。 使用C+ Fortran或matlab/simulink語言編寫的控制器1）使用fortran語言編寫的代碼2）使用C+語言編寫的代碼3）使用matlab/simulink搭建的控制器模型生成動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL文件1）在Visual Fortran中新建動(dòng)態(tài)鏈接庫工程，輸入工程名（使用FAST調(diào)用時(shí)名 稱必須為DISCON不區(qū)分大小寫）和文件存放目錄（不要有中文路徑）。點(diǎn)擊ok。Ki £dHbsd tmec 日疋穆 2 ：-：Js 占Pwr JjRp1U

4、lL$E S W THRFftl 1RE«L4甌BHHEM.< 釘t*UE":?T!rP*r"aa tthSjpfe*畀聲n砧®trnlrqHi* r1«M I*, oil ffecivIrditP th# mirrntt thiv m(i “Ml. r>H.>UFdufMJTFJi1first rEPDFbDfMTFgtf1 iisl W4ij4刖itr輛ii1in the rrriwis* j iilnq|lP-|N»l r ！Xe pitch fLE“ch* JKt CJll t* tte C<intr-

5、*IHEM.») = wnkm CM r«CUr«l.rtafMSI Iii PMt/4 t p ibliimij *¥ tfiwriQF). i'rii/1.T FI« 1t1e>I fFS*r>tDr tvrw«. H-i*i9 Cwr«at *Jlw *r iliv-wfihAj* Hut - «rt優(yōu)LhL u da2）使用默認(rèn)選項(xiàng)，點(diǎn)擊 finish3)點(diǎn) ok oTv WiaHp.# 寧飢4； ll -理 dRwIllc-i/|9eui F IIfJ EStON.E _| tlHxd

6、HF F IIh« _| HtAUMr FVtAIMEGEB44>.nrrDFtt(i)fe nneoEHH>.rHiEKrriHMTiUMTEN1( MT |rhniEini(iM > INHNI( «IT> DMTENl(lH I:;«vr!tw：2 MJ1FA1L:;kchmfiie(>:5 4VBWI j«|Firstrr,冒DLL4）點(diǎn)擊左下方的 FileView，右擊 Source Files，點(diǎn)擊add files to folders.,找到.F90文件所在目錄。打開文件如圖。pUI gli&fll

7、diibci3J|l*a Mcmbcn CrEtriE New Clu:f L««l Kirtabln;也dKti-441i miMHETEIHI fKai 1*1. 5*ULRI.i ilpht：3 «DW£> m: 'En i turrwr*re:t (wfll*2 jii K«n1rt Elip*T Cur mt C«*tf l.ClMt lifl tfat f -HMr-tlU# t V44UK »f tw bllt tlEC* Mfl*f p ndhM liiw ?|Me eHf Itill t

8、87; thf卡rnup*iEj <-» pwiat) Lh ttw rcirsiur». N fftg lyrwrdur |rdil/i Fflcet-M KtS gtMriEiari Gf*M. “dir*- ICiA L|VHPF JlW lOrqtt i. W , tdF tM* 1 >adin crnrrtioi F«ctnr >* Cjrrr5）然后在build下拉菜單中點(diǎn)擊編譯，看有無錯(cuò)誤，沒有錯(cuò)誤之后生成DLL文件。3基于FAST的變槳PI參數(shù)設(shè)計(jì)(EN) 4二 b01 -lsEoUDoFigure 3.2- Variable-s

9、peed turbine operating regions區(qū)域3處的目標(biāo)就是通過變槳控制來使電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在設(shè)定點(diǎn)在區(qū)域中保持恒轉(zhuǎn)矩并通過對(duì)葉片進(jìn)行變槳來控制葉輪轉(zhuǎn)速?？梢杂檬剑?）來表示此控制設(shè)計(jì)的簡單線性模型:& ABBd w（1）其中A -，Bd，B1 7 1I rotI rotI rotI rot為總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括葉輪，齒輪箱，軸，電機(jī)等）。QaeroQaeroQaero為葉輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩,QaeroW為葉輪轉(zhuǎn)速,為葉片槳距角，w為輪轂高度處穿過葉輪盤的均勻風(fēng)速擾動(dòng)成分。標(biāo)準(zhǔn)PID可用式（2）表示心叫。簾（t） K| Ngear （t）dt K d N gear &（t

10、）Ngear為傳動(dòng)比。對(duì)式（2）兩邊進(jìn)行拉氏變換，得到下面的等式：1（S）KpNgear（s） K _ Ngear （s） KD NgearS （s）S對(duì)式（3）進(jìn)行變換：1B（KpNgear （S）K| - Ngear （S）KpNgearS（S） Bd W（S）s由等式（4）可得傳遞函數(shù)：Tc(s)(s)BdS(1 BKDNgear)s2 ( A BKpNgeJs ( BKi 叫°,由勞斯判據(jù)可知, 由此我們可以得到：系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件就是其特征方程的各項(xiàng)系數(shù)均為正1 BKD Ngear0, A BKpNgear 0, BKI N gear0。在區(qū)域 3 中選擇線性化點(diǎn)： wo

11、18m/s,12.1rpm，o 0.261635rad。使用FAST進(jìn)行線性化可得：A= -0.5536，B= -1.1865此時(shí)可以給出穩(wěn)定性條件：Ki0,心0.00481，Kd 0.00571。將式（1 BKDNgear）S2 （ A BNge/S （BK|NgeJ 0轉(zhuǎn)為特征方程的一般形式進(jìn)行分析：S2 2 ws w2 0其中：w2BK|Ngear ,2 w1 BK°NgearA BKp Ngear1BKD N gear則Kp,K|可用下式來表示K|w2(1 BKoNgear)BKpA 2 w(1 BKoNgear)BNgearBNgear在Matlab/simulink 中搭

12、建控制器模型|L1 <103121rLir 釗v 18n/s_LinMfPt£b,變槳控制器的simulink模型（無增益調(diào)度）采用階躍風(fēng)作為激勵(lì)，此階躍風(fēng)在 60s的時(shí)候風(fēng)速由17m/s變?yōu)?8m/s。 令Kd 0 , w=0.6rad/s,當(dāng)取不同的S值時(shí)，葉輪的響應(yīng)會(huì)有所不同，其仿真結(jié)果從圖中可以看出，當(dāng)S的值為 2.5和0.8時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)不同程度的震 蕩，當(dāng)S的值選為1.0時(shí)較好。接下來，在靠近區(qū)域2.5處的區(qū)域3中選擇一個(gè)線性化點(diǎn)，如W0 12.1m/s，12.1rpm，0 0.0761591 rad。此時(shí)，經(jīng)線性化后可求得：A=-0.3721，B=-0.416

13、4。利用公式(1)可以求得 Ki和 Kp的值。貝U Kp 0.020496，Ki 0.0089128。此時(shí)，選擇另一個(gè)線性化點(diǎn)，使此處的線性化結(jié)果中的 B值為 上一個(gè)線性化結(jié)果中的B值的兩倍。經(jīng)測(cè)試，選擇的線性化點(diǎn)為 W0 14.9m/s，12.1rpm，00.180737 rad。此時(shí)，A=-0.4451，B=-0.8215.接著，對(duì)槳距角施加增益調(diào)度。其增益校正系數(shù)GK 1/(1 /PC_KK)，而PC_KK的值就是第二個(gè)線性化點(diǎn)處的槳距角的值，即PC_KK=0.180737，因此 GK 1/ (1 0.180737 / PC _ KK )。仿真結(jié)果對(duì)比(階躍風(fēng))step wind時(shí)間（s

14、）NRELLinear0 5 0 5 02 111 1 1 1 )nor(速Pitch150200時(shí)間（s）250300N RELLinearRo tSp eed100 200時(shí)間（s）300仿真結(jié)果對(duì)比（18m/s湍流風(fēng)）時(shí)間（s）NRELLinearRotspeed145X263053速轉(zhuǎn)輪葉5304303030125PitchNRELLin ear630430o s30To30 5 0 5 02 11距槳仿真結(jié)果對(duì)比（11.5m/s湍流風(fēng)）時(shí)間(s)RotspeedNRELLinear時(shí)間(s)6305430302o(S時(shí)3014303 2 10 9 1 1 1 1速轉(zhuǎn)輪葉Fast與si

15、mulink接口的實(shí)現(xiàn)第二部分運(yùn)行PI統(tǒng)一變槳程序確保所需文件(如風(fēng)文件等)在同一目錄下1. 打開后綴名為.mdl的simulink模型文件。3.將當(dāng)前目錄設(shè)為存有文件 Simsetup.m 的根目錄It t4< MbmI1 枕* XM郵> 嶺4 屮a -J 戶寸卜 ¥ r 2 ' aShcncun _£J Ms. -k- JUd 弐 fMhm'dLurm| Fcldar口 施hMcrkapn* 口 JE卜、和wfL. P厠曲*W4TU*? WfllrP 1恫、比歸 K &&E1F i-®<I GeflfrjX&#

16、167;張如函押幅曰mN«m *v*W申言網(wǎng) 也DFOfiftTJHL艾 DISODN-JS:>.,4.在命令窗口中輸入 Simsetup（即卩M文件Simsetup.m去除后綴名后的名字）。*t _J M 上 町 b ijBi 材 程 CirrvM: htiritf: £jn_Hcrlljahd_Pj nvGdydkmdra±1- -lrf! 嚴(yán) ,AH-cCl*bi* Jh ClllilH¥丄 bflugpLsidai* PI tcr rrL.Lni -gn * f肩 寸! *卜 L區(qū)占詁*«1 匸 haraLoH國比中除晝f 搔 D

17、RAHTDU_ DisciHeffJbrt1 DtSCDNJiH打FimR FMTmp_* FA£ T_5 Fwk j-rwrelj9j箱心幻所hj>Ut*：dpX呼訶£ NFELlMWm# 麗皿卯E勵(lì)V>. NFElQfMirw5MWJi二 NRI±OMrfl«lirT«WW_£L- 神襯貳他WjUNRElOr3<irM%M«_Cl_.-® New w MUUJr11 Wvwh Z Vldtfro.Own cm. w eiad Gce j : - 口w*wtwfltnclan :bL】c1

18、71;ke clebE 4ll白一 ZJZ/T/Zl Lil朋 T5. 輸入后綴名為.fst 的文件，如 NRELOffshrBsline5MW_Onshore.fst。6. 運(yùn)行simulink模型點(diǎn)擊此按鈕程序即運(yùn)行。7. 每次運(yùn)行程序時(shí)都要重新將步驟走一遍，否則程序?qū)⑻崾惧e(cuò)誤運(yùn)行狀態(tài)空間統(tǒng)一或獨(dú)立變槳程序1.前5步操作與上面相同，不同的是如果代表狀態(tài)空間的矩陣表達(dá)式?jīng)]有具體值 時(shí)還需要導(dǎo)入一個(gè).mat文件，里面存有矩陣的表達(dá)式w? fdH 話員* 仙財(cái)hr 陽燈稍*pD Qd 蠱 阪2* 國 1電如'matlab.mat 文件2.剩余步驟也與上面相同第三部分LQR以及LQG勺設(shè)計(jì)

19、步驟一、LQR程序介紹1. LQR概念及其理論的應(yīng)用LQR（linearquadraticregulator）即線性二次型調(diào)節(jié)器，其對(duì)象是現(xiàn)代控制理論中以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng)，而目標(biāo)函 數(shù)為對(duì)象狀態(tài)和控制輸入的二次型函數(shù)。LQR最優(yōu)設(shè)計(jì)指設(shè)計(jì)是出的狀態(tài)回饋控制器K要使二次型目標(biāo)函數(shù) J取最小值，而K由權(quán)矩陣Q與R唯一決定,故此Q、R的選擇尤為重要。LQR理論是現(xiàn)代控制理論中發(fā)展最早也最為成熟的一種狀 態(tài)空間設(shè)計(jì)法。特別可貴的是 丄QR可得到狀態(tài)線性回饋的最優(yōu)控制規(guī)律，易于構(gòu)成死循環(huán)最優(yōu)控制。而且 Matlab的應(yīng)用為LQR理論仿真提供了條件，更為我們實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的控 制目標(biāo)提供了方便。

20、對(duì)于線性系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)問題，如果其性能指針是狀態(tài)變量和（或）控制變 量的二次型函數(shù)的積分，則這種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)化問題稱為線性系統(tǒng)二次型性能 指針的最優(yōu)控制問題，簡稱為線性二次型最優(yōu)控制問題或線性二次問題。線性二次型問題的最優(yōu)解可以寫成統(tǒng)一的解析表達(dá)式和實(shí)現(xiàn)求解過程的規(guī)范化，并可簡單地采用狀態(tài)線性回饋控制律構(gòu)成死循環(huán)最優(yōu)控制系統(tǒng)，能夠兼顧多項(xiàng)性能指 針，因此得到特別的重視，為現(xiàn)代控制理論中發(fā)展較為成熟的一部分。LQR最優(yōu)控制利用廉價(jià)成本可以使原系統(tǒng)達(dá)到較好的性能指針（事實(shí)也可以 對(duì)不穩(wěn)定的系統(tǒng)進(jìn)行鎮(zhèn)定），而且方法簡單便于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用Matlab強(qiáng) 大的功 能體系容易對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真。本文利用

21、Matlab對(duì)實(shí)例進(jìn)行LQR最優(yōu)控制設(shè)計(jì)， 比較Q R變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，說明LQF系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡單而 可行性及Q R變化對(duì)系統(tǒng)性能影響的重要性。我們主要以 NREL 文獻(xiàn)中Advaneed Control Design for Wind TurbinesPart I: Control Design，Implementation，and Initial Tests和modern control design for flexible wind turbine 為參考， 使用NREL開發(fā)的FAST軟件線性化風(fēng)機(jī)，生成線性化輸出文件 in，提煉出狀態(tài)空間方程 矩陣A，B，C，D。調(diào)LQR程序生

22、成合理的增益矩陣Gbar，使用Simulink輸出要求的控制變量。2.統(tǒng)一變槳LQR采用 6states LQR 統(tǒng)一變槳控制，6 狀態(tài)分別是 drive train torsional deflection ， rotor first symmetric flap mode displacement ，generator rotational speed ，drive train torsional velocity . rotor first symmetric flap mode velocity ， wind disturbanee2.1線性化風(fēng)機(jī)模型Ar = A Ax +Az/ fA

23、j* = Oy + DM + Q詁血匕 *X為狀態(tài)向量 u為控制變量Ud為擾動(dòng)變數(shù)y控制輸出A狀態(tài)矩陣，B輸入矩陣，C輸出矩陣，D控制量輸出矩陣，Bd擾動(dòng)輸入矩陣,Dd擾動(dòng)輸出矩陣為了計(jì)算上式中矩陣，采用 FAST 線性化風(fēng)機(jī)模型，這里以NRELOffshrBsli ne5MW_0 nshore 模型為例子，線性化風(fēng)機(jī)模型。 設(shè)置 FAST 主文件 NRELOffshrBsline5MW_0nshore.fst2 WIodt - kialysis imde 1:血巴 rinnnarching sinilatianj 2: creale a periodic linnrized crodel 將

24、AnalMode設(shè)為.2,計(jì)算線性化0qcoc cc1YCModfi-Yew control mode D： none, 1: us er-de fined from routine ITYCOn-Time to enable active 卩網(wǎng) control ksj tinused 円hen YCodeFCM uclt-Pitch cotitrul mode D: rionej 1: us er-de fined from rcnilhitTPCCln-Time + enablf active pitch control 1.5.1 unused hen PCMrVSCmtrl-Varia

25、bLe-spesd control mode (0: none, 1: sirnplt YS, 2: u<YCMode=0，不用偏航PCmode=0,不用變槳距角控制VSCo ntrol=1，采用內(nèi)置轉(zhuǎn)矩控制1VSContrl - Varfahle&ed tflntrfll rrcde 0: non巳 1: sltiple VS, 2: user-deflm1161. 96 VS_RtCrn - Rated gereratr st>&ed fcr sintpl t varislclt-speed aeneratar contra 43628. S3VS JhTq-

26、Rated generatar tarque/canstant general or torque in Regicn 3 fta0.025&73VEJlgn2i- Generator torque constant in Region 2 for single variable-speedID VS_SlPc - Rated jciniTater slip pertuirt啓匕 in Region 2 1/2 for simple ariable-sj 若 VSControl=1，下面的 VS_RtGnSp, VS_RtTq，VS_Rgn2K 既可以按實(shí)際控制9 參數(shù)設(shè)置，也可以全部

27、設(shè)置為9999.9,兩者之間差別并不大。True TrueGenTLStr- M&thcd to start th匕 generator T: tinei using TimGenDn,GenTiStp- Method to 3top The generator T: timed using TinGenOf,GenTiStr=true , GenTiStp=true12.1Rot Speed - Initial ar fizcd rotor speed (rpm)RotSpeed是風(fēng)機(jī)線性化的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，盡量設(shè)置靠近控制轉(zhuǎn)速點(diǎn)。FalseFLapDOFlFalseFLapDOF2Fals

28、eEdgeDOFFalseTeetDOFTrueDrTrDOFTrueGenTOFFalseYawDOFFalseTwFADOTlFlseTwFAPnFFalseTwSSXFlFalseT噸SD0F2True匚口mpfteroFalse匚口mpNoise-First flapwise blade mode DOF (flag)-Second flapwise blade mode DOF (flag)-First edgewise blade mode DOF (flag)-Rutcr-teeter DOF (fla呂) unused for 3 blades- Drivetrain rota

29、tional-flexibility DOF (flag)-Genera-tor DOF (flag)-Yaw DOF (flag)-First fare-aft tower bending mo de DOF (fl ag)- Second for'aft tocneT hendiEOF (flag)-First si detDside tower bending-mode LOF (flag)-Second side-to-side tower bending-mode DOF (flag) -二onute aerodynamic forces (flag)-Confute aer

30、odynarnic noise .flag)上圖為自由度開關(guān)，F(xiàn)alse不計(jì)算，True表示計(jì)算。根據(jù)自己需要選擇計(jì)算所需 自由度，CompAero 必須為 true。這里 5 狀態(tài)：FlapDOF1，DrTrDOF，GenDOF, CompAero 為 true，其余為 FalsaUutList - Lhe next linecontains a list a:*HSShftV*END of FAST input fiLe Cthe word "END" must appear in the fi:輸出選擇自己需要的輸出變量，沒必要多輸出。具體輸出變量參考FAST用戶手

31、冊(cè)，這里輸出只要轉(zhuǎn)速，所以只有輸出 HSShftV，高速軸轉(zhuǎn)速。其它參數(shù)按照 FAST 般計(jì)算時(shí)設(shè)置，如有不清楚地方可以參考 FAST用戶手冊(cè)P39-44頁, 里面有具體設(shè)置參數(shù)方法。設(shè)置 NRELOffshrBsline5MW Linear.dat 文件NREL 5* 0 NW offshore b：True30.00010.0010CalcSt-i/TriEiCasE DispToLVelTol36NAzinEtep1KdlOrdeFET LINEARISATION C0HTR01 FILEiseline line ar is at ion input preperti e s.PERIO

32、DIC STEADY STATE SOLUTIDtJ- Calculate periodic steady state candiiion Palse： Lineerj-ze atoi-Trin case LI : £ind nacelle yew, 2: find gEneratDr tcrquEj 3: firCanvEigence toleiance for tliE 5-narni of displaCBnente in the jei Ccnvfergente lcj_erance for tliE 2-norm of *eLooi.ties 注 the i'ei

33、ITOEL LIKEARI2ATI01J；;廣 - Nurtfcer c£ equally-spced azimuth stets in periodic lineeriEed me-Order of oulput lineBrized ncdel 1 ： 1st order A, Bd, C3 D, I1411NlnputsCntrllnptHDisturbaDiaturbncIN?ITTE AND LI STUBBA1OS-Nmiber af comrol Lnputg LO (norie) or 1 to l+Numfll(-)-Liat of cantrol inputs L

34、 NInpvtsJ 1； nacelLe arglej 2： na< -Nurtber af wind disturbances 0 (ridne； or 1 to 7(.-)-Lictaf input wind 'iistijrbcncer 1 io THEmturbn (1： harizon!-:CalcStdy=trueTrimCase=3,計(jì)算統(tǒng)一變槳角。NAzimStep=36,線性化 36 個(gè)點(diǎn)。MdlOrder=1，計(jì)算一階。Nln puts=1，統(tǒng)一變槳只有一個(gè)槳距角輸入，只有一個(gè)控制量。同樣道理，轉(zhuǎn)矩 LQR也只有一個(gè)，而獨(dú)立變槳有 3個(gè)槳距角，則Nlnputs

35、=3.Cn trlI npt=4，表示選擇統(tǒng)一槳距角作為控制輸入。NDisturbs=1Disturb nc=1，表示1個(gè)輪轂高度的水平風(fēng)速擾動(dòng)其它方法設(shè)置可參考 FAST用戶手冊(cè)P43頁的Table 5和Table 6.風(fēng)文件線性化只能在穩(wěn)態(tài)下計(jì)算，做風(fēng)檔時(shí)不要風(fēng)剪Tirw Ni 擁 Spnd l =c)(n/=J0.0004Q.ODO&30.000Wind VerticalEfcriii rW Lw Lin.Wert,ixiwlDirSpredShuar Vert, ShorShearSpwdl(de-gj(W=)(ms/a)1&. 0000. oooa DOOo. ooo

36、16. oodn. oooa oooo.ooois. oooo. cooa dooo-flooJ n .D.O00a Qo.t.OQO r. QQQ tlcioDOgM.u n .D. 山G九NRELOffshrBsline5MW_AeroDyn.dat 文件中 StallMod=steadySTEADY Stalled - Dynamic stall included BEDDOES or STEADYFAST其它參數(shù)按照一般計(jì)算時(shí)設(shè)置運(yùn)行FAST計(jì)算生成NRELOfshrBsline5MW_0nshore.lin 文件，線性化完成。2.2調(diào)節(jié)LQR程序我們已經(jīng)有了調(diào)節(jié)好的6states L

37、QR程序，只需要在它基礎(chǔ)改就可以了。以6 states 為例：在MATLA中運(yùn)行 LQR.r程序，命令窗口輸入 NRELOffshrBsline5MW_0nshore.lin(注：.lin檔最好放在和LQR.r檔一個(gè)檔夾，MATLA的工作文件夾路徑設(shè)置成該 文件夾路徑)，MATLA的工作空間會(huì)計(jì)算出AvgAMa等一系列矩陣，是因?yàn)長QRi 序調(diào)用了 GetMats子程序，GetMats是計(jì)算.lin生成矩陣的平均值的。AvgAMa是個(gè)10X10勺矩陣，是個(gè)10狀態(tài)矩陣，這10個(gè)狀態(tài)分別如下圖所示(在.lin 檔中可以找到)。Order of States H Lioearixed Stale

38、Matrices;Rnw/colLLfiri 1 - Variable speed genera*nr DOF (internal DOF indev 一Row/colunri 2 = Drive train rotalional-fleitibili-tv W (internal DOF inder = DOF _DrTr)Raw/colum3=lg*fLarwigebending-modeJCf of 打 Lade1(intemaLDOI1index =Raw/colum4=Lr:flspwicebending-nodeDQf of bLade2(internalDDFindsx -1)R

39、aw/coluumE-Is'bendi呷nodsDOF of bLade3(internalDOFindex -1)RtjwAxjluutr6to 10- Firs!dETiivts of rcw/cclum1to 5*后5種是前5種的微分。而我們要的是 5 狀態(tài)(風(fēng)擾動(dòng)除外)是 drive train torsional deflection , rotor first symmetric flap mode displacement ， generator rotational speed， drive train torsional velocity ， rotor first

40、symmetric flap mode velocity，分別對(duì)應(yīng) 2, 3,6,7,8 狀態(tài)。則不難發(fā)現(xiàn) Amod 矩陣是 AvgAMat 矩陣的2，3，6，7，8行和列。俎梓AvfAlat '2,2h 即詡ht 必 Jh 容臉：5 冋呵；-Art Mat 2: ：AvEAfat U Avg/Iit 訂,引,M訓(xùn)茁(1 勺：拠Abt 4 工準(zhǔn)冊(cè)t ) 3 ?堰M(jìn)l世；21.加7劊kt: c, 31.卻記驗(yàn).6.:.仙勿覽譏，(r, 2)j 加e血t 7j 3)+AvjAfct4)林YfMlst (7,5幾的gWb穴(7, i),Avdtat 馮 血Mkt(7j 8) +AffJX&l

41、t;7,9) +)Avilflat 1Q) Avcffatt:2h 鼬酒t Sj 3)(8川-AviMt (£, 5) S 職閔冊(cè) 8,:;,即Jht:S/：r ')qgAFit £3 如皆Jk：(空)10>)Bmod， Bdmod， Cmod一樣對(duì)應(yīng) AvgBMat(2,1) ，AvgBdMat ，AvgCMat 的 2， 3， 6， 7， 8行在確定這些矩陣之后就是調(diào)節(jié)Q矩陣Q=0- 0001, Q 0> 0,0OjO, OOlj 0, 0000, S, 0, 0Oj 0, 4 0. L 00J 0, 0, Q3 0. 00001；匾5,E二Iqir

42、QLoB-qQK) 匸QK算法丨求出墻益矩陣KE,GwK:調(diào)節(jié)對(duì)角陣Q,觀察輸出的極點(diǎn)陣 E中值（本模型實(shí)部值在-10到-1之間）。計(jì)算所得k是 LQR的增益。LQR.m程序后半部分是 DAC狀態(tài)觀測(cè)器程序，已經(jīng)是現(xiàn)成的程序，只要計(jì)算出的結(jié)果Aeon,Bcon，Gbar矩陣。具體的理論知識(shí)請(qǐng)參考 modern control design for flexible wind turbine 中附錄關(guān)于DAC觀測(cè)器的理論知識(shí)介紹，比較詳盡。2.3 FAST-Simuli nk 程序在MATLA啲 Simulink 中搭建控制程序平臺(tái)，可以參考 Advanced Control Design fo

43、r Wind Turbines Part I: Control Design, Implementation, and Initial Tests 中 P 49 頁 Figure4.2 形式， 只需將LQR.m計(jì)算所得Acon，Bcon，Gbar帶入模型，C陣是單位陣，D是0陣，全狀態(tài)回 饋LQR統(tǒng)一變槳就做好了。A=Acon, B=Bcon, C是單位陣，D是 0 陣。K=Gbar。 輸入y是高速軸轉(zhuǎn)速差，輸出pitch是槳距角女口 AdvaneedControlDesign for Wind Turbines Part I: Control Design,Implementation, a

44、nd Initial Tests 中P 49頁Figure4.2中所示的LQR計(jì)算的槳距角加上線 性化的槳距角u_op的和為控制槳距角，在非線性化點(diǎn)風(fēng)速時(shí)控制會(huì)有偏移，不具備增益調(diào) 度功能。將u_op換成PI輸出的槳距角，就能有增益調(diào)度的功能了。3.轉(zhuǎn)矩LQR3.1線性化轉(zhuǎn)矩LQR的線性化和變槳LQR線性化相似，只需要設(shè)置NRELOffshrBsline5MW_Linear.dat檔中CntrlInpt=3，自由度的控制調(diào)成自己所需 的自由度。-3.2調(diào)節(jié)LQR程序LQR程序調(diào)節(jié)與前面一樣。3.3 Simuli nk與統(tǒng)一變槳LQR一樣，參考P56 Figure4.54獨(dú)立變槳LQR獨(dú)立變槳是

45、在統(tǒng)一變槳的基礎(chǔ)之上，根據(jù)DAC狀態(tài)觀測(cè)的葉片擺振情況計(jì)算 出相應(yīng)的槳距角，對(duì)統(tǒng)一變槳的PI槳距角進(jìn)行修正，輸出三個(gè)不同的槳距角。狀 態(tài)變量：Blade3 1st flapdeflection, generator rotational speed, Bladelstst1 flap velocity, Blade21 flapststBladel 1 flap deflectio n, Blade2 1 flap deflectio n.stvelocity, Blade3 1 flap velocity4.1線性化FAST主文件設(shè)置：由于要測(cè)量葉片擺振情況，增加"TipDxc1&

46、quot; "TipDxc2" "TipDxc3"三個(gè)葉尖位移輸出WIGages BldGagNd OutList一 Kumber of blac-List of blade-The n&Kt lin&("Hsshftr"TipD輕嚴(yán)TipExc2"END of FAST iiyput file the wurd "END" n設(shè)置 NRELOffshrBsline5MW_Linear.dat文件：Nlnputs=3，三個(gè)控制輸入變量Cn trlI npt=5 6 7，三個(gè)槳距角其余設(shè)置與

47、前面線性化一樣。4.2調(diào)節(jié)LQR程序已經(jīng)有調(diào)好的LQR_indepPitch.m程序，也可以參考Advaneed Control Design for Wind Turbines Part I: Control Design, Implementation, and Initial Tests中附錄 B-7 LQR_design_i ndepPitch8states.mAmod與前面確定的方法一樣，Bmod注意是個(gè)3列的矩陣Bdmod要參考 Mitigationof Wind Turbine/VortexInteractionUsingDisturba neeAccommodat ingCon

48、 trolP41-59的方法000000000300Bd modb00Avg BdMatb1b-0.866 bb1b0.866 bCmod Dmoc與程序一樣。調(diào)節(jié)LQR的方法與統(tǒng)一變槳LQR方法是一樣的，最后得出Acon,Bcon,Gbar.4.3 Simuli nk參考Advaneed Control Design for Wind Turbines Part I: Control Design, Implementation, and Initial TestsP63 Figure4.9搭好 simulink 平臺(tái)，但要做出修改。 該圖是兩葉片的，要擴(kuò)展為三葉片&9S&

49、menLHElrt®"*!3-了沁*: II# 卻 , >- «»i l£h ACBkdtCKlSubsystemARealizable Con trollerA=Acon, B=Bcon, C是單位陣，D是 0 陣，K=Gba。Baseline輸出的pitch是PI變槳值。調(diào)節(jié)LQR_depPitch.m中Qe陣，使Simulink輸出的槳距角在常風(fēng)下是三條 相位相差120度的正弦曲線。、LQG程序介紹1. LQG原理介紹LQG（線性二次高斯）與LQR類似，只是狀態(tài)估計(jì)使用Kalman濾波器作為狀 態(tài)觀測(cè)器。利用Kalman濾波器估算出

50、風(fēng)機(jī)狀態(tài)，乘以 LQR增益就可以得到控制 變量。LQG controllerMeasu rernentnoise LQG controlseparation principle > LQ + Kalman離散Kalman濾波器觀測(cè)狀態(tài)公式：xk + 1)x(ki +rw(Aj + v(Ajy(k) Cx(k) + e(k)V（k）是系統(tǒng)噪聲，e（k）是測(cè)量噪聲。表L 1：離散卡爾曼濾波器時(shí)間更新方程耳Arfc_| + Bujt-i(L9)施=APk-i + Q(1.10)請(qǐng)?jiān)俅巫⒁獗礤臅r(shí)間史新方程怎樣將狀態(tài)佔(zhàn)計(jì). 作 從力一 1時(shí)刻向前推算到k時(shí)刻A和E來自式1九 波器的初始條件在早先

51、的引用中討論過-%和協(xié)方矣佔(zhàn)計(jì)Q來自式13濾表14：離散卡爾曼濾波器狀態(tài)更新方程Kk = PkHr(HP-Hr + R)"(Z)坯二瓦+ K*（社一 H耳）(1,12)m-心i“p匸_- 一 -L -_(1.13)日寸聞一韭需Fr皿測(cè)< 1門勺附推態(tài)變鼻乞-=入仇十斤7W）向前矗算諛整盼方建計(jì)箕:卡爾曼增益+ R）-1 <2）由M見瀬）變繪 電剜估l|mSl, = Kk-+ Kb (X! H(里新溟左的7/妾I糾1-y：賢加埜猖誠器I作盼也備lr r+1閆1-1題崔LJ 輕民】亠結(jié)舍側(cè)別Kalman濾波器結(jié)構(gòu)2.統(tǒng)一變槳2.1線性化與統(tǒng)一變槳LQR的線性化是一樣的，生成.

52、lin文件。2.2 LQG程序調(diào)節(jié)LQR.m程序只要前半部分，不要程序后半部分的DAC犬態(tài)觀測(cè)器。調(diào)節(jié)LQG.m 程序，算出增益Gx,Q=0. 0001,0, 0, 0, 00, 0, 001, 0> 4 0g Oj % Oj 00, 0, J 0+ L 0o,o,0,0, o. aoooi；Kj Sj E = Lqr (A_Cj B_c3 R) LES 法.求出增益拒 B 輟町由于我們使用的是離散的Kalman濾波器，需要將A_c,B_c,C_c, D_c離散化:Belta_t=0. 0125;Al, BbCl,Dl = c2dJH'：A_c,S_c? C_c,D_c; Delta_t):Delta t=0.0125，0.125是FAST的積分步長2.3 Simuli nk搭好Simulink平臺(tái)LQG modelP, Q是對(duì)角陣，調(diào)節(jié)Q陣可以改善控制效果。y是高速軸轉(zhuǎn)速輸入，單位rad/s , u是控制槳距角輸入。X是kalman估測(cè)狀態(tài)輸出。調(diào)節(jié)主要調(diào)節(jié)Kalman濾波器中Q陣和LQF計(jì)算所得的Gx可得