本发明涉及风电叶片静力控制技术，具体涉及一种风电叶片静力控制方法、单元和系统。
背景技术
风电叶片是风电机组的重要组成部分，也是风电机组中较易发生损伤的部件。风电叶片静力试验的主要目的是对风机叶片承受的极限载荷进行检验，对风电叶片的强度极限和刚度性能考核验证，为结构优化提供必要的试验数据及分析结果。随着风电产业的快速发展，风电叶片的静力试验技术研究也得到了不断的开发与应用。
对于兆瓦级风电叶片的静力试验，风电叶片的静力试验多采用多点同步加载拉力的方法实现,即采用多级多点加载方式，各加载点拉力同时到达静力试验设置目标拉力。在拉力载荷加载过程中，应确保每个加载点的拉力载荷匀速变化，以保证随着拉力载荷的增加而保持载荷分布的形状。兆瓦级风电叶片主要是由玻璃纤维组成，可以视为柔性刚体。其中叶片上多个加载点之间的力耦合是制约多点同时到达静力试验设置目标力的最大因素，在静力加载过程中如果存在力耦合，容易引起加载点拉力突变，从而导致叶片受力非均匀变化而损坏。叶片自身结构式引起静力加载过程中多个加载点拉力耦合的主要原因。如果从刚体耦合控制来做的话困难比较大，对于兆瓦级风电叶片静力加载试验来说，不具有通用性。目前国内通常采用多点多个吊车垂直加载的方式完成兆瓦级风电叶片的静力试验，但该方法加载和测量的精度不高，载荷变化不均匀，加载时间需要人工经验辅助，具有较大的局限性。同时由于叶片材料及结构的特殊性导致加载过程中叶片模型在时刻发生变化，加上其他未知的不可预测因素的影响，在多点加载过程中，控制点之间的耦合性比较复杂，很难采用传统的解耦控制方法消除加载点之间的耦合性问题。
目前，国内在风电叶片的静力试验的控制方法方面进行了大量的研究，其中，同济大学提出的风电叶片静力试验控制方法是将无模型自适应算法应用于静力加载过程的牵引力解耦控制。通过理论分析与仿真试验，解耦控制效果和控制精度具有较大的提升，但该方法是通过比较系统的实际输出值和期望输出值进行比较，反复迭代计算，实现牵引力值与期望输出值接近。但是其具有以下缺点：一、在系统不稳定的时候，容易出现迭代次数多，达到稳定的时间较长等问题；二、需要设置合适的权重因子等参数，参数设置的合理性直接影响了控制系统的稳定性和控制速度。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种风电叶片静力控制方法、单元和系统，多个加载点同时加载时，通过实时调整伺服电机的转速和方向改变实时拉力的加载速率，从而实现每个加载点力载荷的同步、匀速稳定变化；且不用考虑加载过程中不同风电叶片各个加载点之间的力耦合情况，各个加载点的加载过程相互独立，具有通用性。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种风电叶片静力控制方法，包括：
实时采集加载点的反馈拉力，并根据加载点的反馈拉力确定加载速率误差上限和下限；
根据加载速率误差上限和下限计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差；
将加载速率误差与加载速率误差上限和下限进行比较，实时输出位移参数和驱动指令，实现对风电叶片的静力控制。
所述根据加载点的反馈拉力确定加载速率误差上限和下限包括：
设实时采集的第n个加载点t时刻的反馈拉力为fn(t)，根据fn(t)得到如下式所示的加载速率误差上限和下限：
其中，vmax和vmin分别表示加载速率误差上限和下限，fn(t+δt)表示第n个加载点t+δt时刻的反馈拉力，δt表示时间间隔，a、b表示比例系数。
所述根据加载速率误差上限和下限计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差包括：
通过联立下式计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差：
其中，en(t)表示第n个加载点t时刻的加载速率误差，vn(t)表示第n个加载点t时刻实时拉力的加载速率，vn(t+δt)表示第n个加载点t+δt时刻实时拉力的加载速率，m表示加载点总数，t表示采样周期，kp表示比例系数，ki表示积分系数。
所述将加载速率误差与加载速率误差上限和下限进行比较，实时输出控制参数，实现对风电叶片的静力控制包括：
当en(t)<vmin时，表明加载速率误差小于加载速率误差下限，不满足加载速率误差要求，输出vn(t)＝－sing{en(t)}，改变伺服电机的旋转方向，并将vn(t)＝－sing{en(t)}定义为实时拉力的加载方向，实现风电叶片加载点实时拉力的闭环加载；
当vmin<en(t)<vmax时，表明加载速率误差处于加载速率误差上限和下限之间，满足加载速率误差要求，输出
当时en(t)＞vmax时，表明加载速率误差大于加载速率误差上限，不满足加载速率误差要求，输出vn(t)＝sing{en(t)}，改变伺服电机的旋转方向，并将vn(t)＝sing{en(t)}定义为实时拉力的卸载方向，实现风电叶片加载点实时拉力的闭环卸载。
同时，本发明还一种风电叶片静力控制单元，包括：
确定模块，用于实时采集加载点的反馈拉力，并根据加载点的反馈拉力确定加载速率误差上限和下限；
计算模块，用于根据加载速率误差上限和下限计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差；
输出模块，用于将加载速率误差与加载速率误差上限和下限进行比较，实时输出位移参数和驱动指令，实现对风电叶片的静力控制。
所述确定模块具体用于：
设实时采集的第n个加载点t时刻的反馈拉力为fn(t)，根据fn(t)得到如下式所示的加载速率误差上限和下限：
其中，vmax和vmin分别表示加载速率误差上限和下限，fn(t+δt)表示第n个加载点t+δt时刻的反馈拉力，δt表示时间间隔，a、b表示比例系数；
所述计算模块具体用于：
通过联立下式计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差：
其中，en(t)表示第n个加载点t时刻的加载速率误差，vn(t)表示第n个加载点t时刻实时拉力的加载速率，vn(t+δt)表示第n个加载点t+δt时刻实时拉力的加载速率，m表示加载点总数，t表示采样周期，kp表示比例系数，ki表示积分系数；
所述输出模块具体用于：
当en(t)<vmin时，表明加载速率误差小于加载速率误差下限，不满足加载速率误差要求，输出vn(t)＝－sing{en(t)}，改变伺服电机的旋转方向，并将vn(t)＝－sing{en(t)}定义为实时拉力的加载方向，实现风电叶片加载点实时拉力的闭环加载；
当vmin<en(t)<vmax时，表明加载速率误差处于加载速率误差上限和下限之间，满足加载速率误差要求，输出
当时en(t)＞vmax时，表明加载速率误差大于加载速率误差上限，不满足加载速率误差要求，输出vn(t)＝sing{en(t)}，改变伺服电机的旋转方向，并将vn(t)＝sing{en(t)}定义为实时拉力的卸载方向，实现风电叶片加载点实时拉力的闭环卸载。
优选的，本发明还提供一种风电叶片静力控制系统，包括加载装置、拉力传感器、位移传感器和控制装置；
所述位移传感器和拉力传感器均固定在风电叶片上，所述加载装置通过钢丝绳和滑轮组与拉力传感器连接，所述控制装置包括与位移传感器连接的信号采集模块以及控制单元。
所述加载装置包括伺服电机、伺服放大器、减速箱、钢丝卷筒、钢丝绳、滑轮组、导向轮和拉力塔架；
所述伺服放大器与伺服电机连接，所述伺服电机通过皮带轮、轴承和链条与减速箱连接，所述钢丝卷筒固定在减速箱上，所述钢丝绳缠绕于钢丝卷筒上，其穿过导向轮，且通过牵引滑轮组连接到风电叶片上，所述导向轮固定于拉力塔架上。
所述控制装置还包括伺服电机控制器和显示单元；
所述伺服电机控制器接收电机驱动指令，并驱动伺服电机动作；所述控制单元同时输出位移参数给显示单元，通过显示单元进行显示。
所述信号采集模块包括数字信号采集单元和模拟信号采集单元；
所述数字信号采集单元和模拟信号采集单元分别采集来自位移传感器的位移信号和来自拉力传感器的拉力信号，两者分别将采集的位移信号和拉力信号发送给控制单元，所述控制单元输出驱动指令给伺服电机控制器，所述伺服电机控制器接收电机驱动指令，并驱动伺服电机动作；所述控制单元同时输出位移参数给显示单元，通过显示单元进行显示。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供了的风电叶片静力控制方法中，先实时采集加载点的反馈拉力，并根据加载点的反馈拉力确定加载速率误差上限和下限；然后根据加载速率误差上限和下限计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差；接着将加载速率误差与加载速率误差上限和下限进行比较，实时输出位移参数和驱动指令，最终实现对风电叶片的静力控制；
本发明中多个加载点同时加载时，通过实时调整伺服电机的转速和方向改变实时拉力的加载速率，从而实现每个加载点力载荷的同步、匀速稳定变化；
本发明提供的技术方案不用考虑加载过程中不同风电叶片各个加载点之间的力耦合情况，各个加载点的加载过程相互独立，具有通用性；
本发明提供的技术方案配置便捷，安装方便，各个设备之间相互独立，通过模块化的接口安装，使得安装便利化；
本发明提供的技术方案应用领域广泛，可移植性强，除了可用于风电叶片静力加载领域，还可以广泛应用于其他领域大型结构的静力加载试验；
本发明提供的技术方案通过控制装置进行过程控制，控制精度高，过程可控，安全性好。
附图说明
图1是本发明实施例1中风电叶片静力控制方法流程图；
图2是本发明实施例3中风电叶片静力控制装置示意图；
图3是本发明实施例3中风电叶片静力控制装置结构图；
图4是本发明实施例4中五个加载点力载荷变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供的风电叶片静力控制方法具体流程图如图1所示，该方法具体过程如下：
s101：实时采集加载点的反馈拉力，并根据采集的加载点的反馈拉力确定加载速率误差上限和下限；
s102：根据s101确定的加载速率误差上限和下限计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差；
s103：将s102计算得到的加载速率误差与s101确定的加载速率误差上限和下限进行比较，实时输出位移参数和驱动指令，实现对风电叶片的静力控制。
上述s101中，根据加载点的反馈拉力确定加载速率误差上限和下限具体过程如下：
设实时采集的第n个加载点t时刻的反馈拉力为fn(t)，根据fn(t)得到如下式所示的加载速率误差上限和下限：
其中，vmax和vmin分别表示加载速率误差上限和下限，fn(t+δt)表示第n个加载点t+δt时刻的反馈拉力，δt表示时间间隔，a、b表示比例系数。
上述s102中，根据加载速率误差上限和下限计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差具体过程如下：
通过联立下式计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差：
其中，en(t)表示第n个加载点t时刻的加载速率误差，vn(t)表示第n个加载点t时刻实时拉力的加载速率，vn(t+δt)表示第n个加载点t+δt时刻实时拉力的加载速率，m表示加载点总数，t表示采样周期，kp表示比例系数，ki表示积分系数。
上述s103中，将加载速率误差与加载速率误差上限和下限进行比较，实时输出控制参数，实现对风电叶片的静力控制，具体过程分为以下三种情况：
情况1)：当en(t)<vmin时，表明加载速率误差小于加载速率误差下限，不满足加载速率误差要求，输出vn(t)＝－sing{en(t)}，改变伺服电机的旋转方向，并将vn(t)＝－sing{en(t)}定义为实时拉力的加载方向，实现风电叶片加载点实时拉力的闭环加载；
情况2)：当vmin<en(t)<vmax时，表明加载速率误差处于加载速率误差上限和下限之间，满足加载速率误差要求，输出
情况3)：当时en(t)＞vmax时，表明加载速率误差大于加载速率误差上限，不满足加载速率误差要求，输出vn(t)＝sing{en(t)}，改变伺服电机的旋转方向，并将vn(t)＝sing{en(t)}定义为实时拉力的卸载方向，实现风电叶片加载点实时拉力的闭环卸载。
实施例2
基于同一发明构思，本发明实施例2还提供了一种风电叶片静力控制单元，这些设备解决问题的原理与风电叶片静力控制方法相似，以下对风电叶片静力控制单元进行详细介绍。
本发明实施例2提供的一种风电叶片静力控制单元主要包括确定模块、计算模块和输出模块，下面分别对这三个模块的功能进行介绍：
上述的确定模块，主要用于实时采集加载点的反馈拉力，并根据加载点的反馈拉力确定加载速率误差上限和下限；
上述的计算模块，主要用于根据确定模块得到的加载速率误差上限和下限计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差；
上述的输出模块，主要用于将计算模块得到的加载速率误差与根据确定模块得到的加载速率误差上限和下限进行比较，实时输出位移参数和驱动指令，实现对风电叶片的静力控制。
上述的确定模块根据加载点的反馈拉力确定加载速率误差上限和下限具体过程如下：
设实时采集的第n个加载点t时刻的反馈拉力为fn(t)，根据fn(t)得到如下式所示的加载速率误差上限和下限：
其中，vmax和vmin分别表示加载速率误差上限和下限，fn(t+δt)表示第n个加载点t+δt时刻的反馈拉力，δt表示时间间隔，a、b表示比例系数；
上述的计算模块根据确定模块得到的加载速率误差上限和下限计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差具体过程如下：
通过联立下式计算加载点实时拉力的加载速率和加载速率误差：
其中，en(t)表示第n个加载点t时刻的加载速率误差，vn(t)表示第n个加载点t时刻实时拉力的加载速率，vn(t+δt)表示第n个加载点t+δt时刻实时拉力的加载速率，m表示加载点总数，t表示采样周期，kp表示比例系数，ki表示积分系数；
上述的输出模块将计算模块得到的加载速率误差与根据确定模块得到的加载速率误差上限和下限进行比较，实时输出位移参数和驱动指令，实现对风电叶片的静力控制具体过程分别以下三种情况：
情况1)：当en(t)<vmin时，表明加载速率误差小于加载速率误差下限，不满足加载速率误差要求，输出vn(t)＝－sing{en(t)}，改变伺服电机的旋转方向，并将vn(t)＝－sing{en(t)}定义为实时拉力的加载方向，实现风电叶片加载点实时拉力的闭环加载；
情况2)：当vmin<en(t)<vmax时，表明加载速率误差处于加载速率误差上限和下限之间，满足加载速率误差要求，输出
情况3)：当时en(t)＞vmax时，表明加载速率误差大于加载速率误差上限，不满足加载速率误差要求，输出vn(t)＝sing{en(t)}，改变伺服电机的旋转方向，并将vn(t)＝sing{en(t)}定义为实时拉力的卸载方向，实现风电叶片加载点实时拉力的闭环卸载。
实施例3
本发明实施例3还提供一种风电叶片静力控制系统，如图2所示，该风电叶片静力控制系统主要包括加载装置、拉力传感器、位移传感器和控制装置，它们之间的位置关系如下：
其中的位移传感器和拉力传感器均固定在风电叶片上，加载装置通过钢丝绳和滑轮组与拉力传感器连接，控制装置包括与位移传感器连接的信号采集模块以及控制单元。
如图3所示，上述的加载装置包括伺服电机、伺服放大器、减速箱、钢丝卷筒、钢丝绳、滑轮组、导向轮和拉力塔架，它们之间的相对位置关系如下：
上述的伺服放大器与伺服电机连接，伺服电机通过皮带轮、轴承和链条与减速箱连接，钢丝卷筒固定在减速箱上，钢丝绳缠绕于钢丝卷筒上，其穿过导向轮，且通过牵引滑轮组连接到风电叶片上，导向轮固定于拉力塔架上。
上述加载装置的工作原理为：伺服电机通过导向轮的减速，驱动减速箱的动力输入端；动力通过减速箱减速后，通过链条驱动钢丝卷筒，钢丝卷筒旋转牵拉钢丝绳。
如图3所示，控制装置除了包括上述的信号采集模块以及控制单元，还包括伺服电机控制器和显示单元；
上述的伺服电机控制器接收电机驱动指令，并驱动伺服电机动作；控制单元同时输出位移参数给显示单元，通过显示单元进行显示；信号采集模块包括数字信号采集单元和模拟信号采集单元；上述各组成部分之间的信号传递过程如下：
数字信号采集单元和模拟信号采集单元分别采集来自位移传感器的位移信号和来自拉力传感器的拉力信号，两者分别将采集的位移信号和拉力信号发送给控制单元，所述控制单元输出驱动指令给伺服电机控制器，所述伺服电机控制器接收电机驱动指令，并驱动伺服电机动作；所述控制单元同时输出位移参数给显示单元，通过显示单元进行显示。
上述的控制单元可采用可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器的型号为melsec-q，伺服电机控制器的型号为q03ude，伺服电机的型号为三菱hf-sp702(b)，伺服放大器的型号为mr-j3-700a/b。减速箱采用二级蜗轮蜗杆减速型号为wpes135-200-200-b型。根据静力试验中的加载力大小，速率等参数，选择满足拉力加载要求的钢丝卷筒、钢丝绳和导向轮等标准件。伺服电机控制器将转速参数作用于伺服电机，伺服电机通过减速箱驱动钢丝卷筒转动，伺服电机的转速反馈到钢丝卷筒钢丝绳的拉力加载速率是线性变化的，因此伺服电机控制器的转速变化与作用于叶片钢丝成拉力变化也是线性的。拉力的匀速稳定变化可以通过控制伺服电机控制器的转速变化实现。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
实施例4
对某3mw级风电叶片采用五点三级静力加载静力试验控制，五个加载点三级加载静力试验设定的参数如表1所示：
表1
采用五点三级静力加载静力试验控制得到的某3mw风电叶片的五个加载点力载荷变化曲线如图4所示，有五个加载点实现三级加载。从图4中可以看出，根据表1设定的三级目标拉力值，五个加载点能够同步实现加载拉力均匀变化，同时满足拉力加载变化速率和加载精度的要求，完成风机叶片的静力试验。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。