【摘 要】
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近岸深水区的海上风电潜力巨大,海上浮式风力机被认为是最具成本效益风电采集机械。但是海上浮式风力机在运行时会受到风、波浪和洋流等环境载荷的影响,同时其系统非常复杂且造价昂贵,为了确保其安全可靠运行,需要对浮式风力机结构稳定性进行控制。此外,水下钝体结构(Spar平台、系泊系统等)涡激振动问题也是导致漂浮式风力机发生结构性损伤主要原因之一。因此,本文对Spar型浮式风力机及钝体结构涡激振动控制进行了深
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近岸深水区的海上风电潜力巨大,海上浮式风力机被认为是最具成本效益风电采集机械。但是海上浮式风力机在运行时会受到风、波浪和洋流等环境载荷的影响,同时其系统非常复杂且造价昂贵,为了确保其安全可靠运行,需要对浮式风力机结构稳定性进行控制。此外,水下钝体结构(Spar平台、系泊系统等)涡激振动问题也是导致漂浮式风力机发生结构性损伤主要原因之一。因此,本文对Spar型浮式风力机及钝体结构涡激振动控制进行了深入的研究。主要内容如下:第一,研究了多种载荷作用下Spar型浮式风力机主动振动控制。首先建立风力机动力学模型,并设计风力机标称系统的LQR控制器,通过模拟退火算法对LQR控制器的权值进行设计,然后设计前馈、反馈及模型参考调节器形成风力机自适应机构使得风力机在参数不确定的情形下能够准确追踪到标称系统下的最优控制轨线,最后通过数值计算验证了自适应控制机构在多载荷影响下的有效性。第二,研究了具有非线性耦合结构的钝体涡激振动控制问题。首先,建立了具有Van der pol尾流振子的四弹簧二自由度钝体涡激振动非线性动力学模型,通过谐波平衡法推导出钝体“锁频”区振幅的理论值表达式。然后设计和比较了两种速度反馈控制的控制效果,并分析了钝体结构参数对速度反馈控制的影响。最后数值分析表明,线性速度反馈控制会增大顺流向“矮峰”流速处的峰值,有效控制范围与反馈增益呈正相关,对非线性耦合系数的变化不敏感并在较高质量比条件下的控制效果更好,最大控制效果明显优于非线性速度反馈控制。非线性速度反馈控制的控制效果范围则是与横流向“锁频”流速范围一致,并且随着非线性耦合系数的增大会向着高折合流速的方向偏移。第三,针对钝体涡激振动控制中无法精确建模的问题,提出了径向基神经网络滑模控制策略对钝体涡激振动控制的研究。首先,通过CFD和嵌套网格技术并编写UDF实现了钝体流固耦合数值模拟,采用四阶龙格库塔法进行离散化求解,其次,设计了联合数值分析系统实现了钝体的全耦合流固耦合振动控制。通过联合数值仿真分析,将该方法与经典的PID控制钝体横流向和顺流向脉动振动控制进行比较。数值结果表明,该控制策略能更好的钝体顺/横流向振动的控制效果更好,并发现其控制机理为改变钝体所受到升力的频率从而避免涡激共振,此外该控制器对系统参数(折合流速)的变化不敏感,具有较强的鲁棒性。
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