一种波浪能转换装置的控制方法及系统

本发明涉及波浪能发电领域，特别是涉及一种波浪能转换装置的控制方法及系统。

背景技术：

波浪能是一种清洁的可再生能源，具有储量巨大、分布广、能量集中的特点。近年来，大量的波浪能转换装置被发明出来将波浪能转换成机械能进行发电，各种控制波浪能转换装置的方法也逐步深入。

现有的波浪能转换装置的控制方法有两种，一种为无约束控制，并没有考虑装置安全操作因素，但相对于约束控制可能会产生更高的转换效率。另一种是约束控制，可以使装置满足约束条件，降低装置被破坏的风险，但是波浪能转换装置的能量转换效率低。综上所述，现有的波浪能转换装置的控制方法，存在两个关键问题需要解决，一是在海洋环境中保持安全运行，降低被破坏的风险；二是提高波浪能转换装置的能量转换效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种波浪能转换装置的控制方法及系统，能够保持装置在海洋环境中安全运行，降低被破坏的风险并且提高能量的转换效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种波浪能转换装置的控制方法，包括：

获取当前时刻的基础参量；所述基础参量包括波浪高度和浮标状态；

基于所述当前时刻的基础参量构建速度矩阵和位置矩阵；

根据所述速度矩阵和所述位置矩阵构建切换约束模型，所述切换约束模型的约束条件由当前时刻的浮标位置确定；

对所述切换约束模型进行最优解求解得到当前时刻的控制力；

所述控制力用于对当前时刻的波浪能转换装置进行控制。

可选的，所述基于所述当前时刻的基础参量构建速度矩阵和位置矩阵，具体包括：

基于所述当前时刻的基础参量得到浮标在下一时刻的状态、在当前时刻的位置和速度；

将浮标在当前时刻的位置及设定时刻范围的位置确定为位置矩阵；所述设定时刻范围为当前时刻之后的所有时刻；

将浮标在当前时刻的速度及所述设定时刻范围的速度确定为速度矩阵。

可选的，所述根据所述速度矩阵和所述位置矩阵构建切换约束模型，具体包括：

判断所述当前时刻的浮标位置是否在第一设定范围内，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为是，则所述切换约束模型为：

若所述第一判断结果为否，则所述切换约束模型为：

其中，j表示目标函数，u表示控制力矩阵，(u)^t为u的转置矩阵，y表示速度矩阵，q表示第一对角矩阵，z表示浮标位置矩阵，(z)^t表示z的转置矩阵，r表示第二对角矩阵，zmin表示浮标位置最小值，zmax表示浮标位置最大值，umin表示控制力最小值，umax表示控制力最大值。

可选的，所述基于所述当前时刻的基础参量得到浮标在下一时刻的状态、在当前时刻的位置和速度，具体为：

根据公式得到浮标在当前时刻的位置、速度和在下一时刻的状态，其中，x(k+1)表示k+1时刻的状态，a表示第一参数矩阵，x(k)是k时刻的状态，bu表示第二参数矩阵，u(k)是k时刻的控制力，bw表示第三参数矩阵，w(k)是k时刻的波浪高度，y(k)是k时刻的速度，c表示第四参数矩阵，z(k)是k时刻的浮标位置，cz表示第五参数矩阵。

一种波浪能转换装置的控制系统，包括：

获取模块，用于获取当前时刻的基础参量；所述基础参量包括波浪高度和浮标状态；

矩阵确定模块，用于基于所述当前时刻的基础参量构建速度矩阵和位置矩阵；

模型构建模块，用于根据所述速度矩阵和所述位置矩阵构建切换约束模型，所述切换约束模型的约束条件由当前时刻的浮标位置确定；

控制力确定模块，用于对所述切换约束模型进行最优解求解得到当前时刻的控制力；

控制模块，用于所述控制力用于对当前时刻的波浪能转换装置进行控制。

可选的，所述矩阵确定模块，具体包括：

参数计算单元，用于基于所述当前时刻的基础参量得到浮标在下一时刻的状态、在当前时刻的位置和速度；

位置矩阵确定单元，用于将浮标在当前时刻的位置及设定时刻范围的位置确定为位置矩阵；所述设定时刻范围为当前时刻之后的所有时刻；

速度矩阵确定单元，用于将浮标在当前时刻的速度及所述设定时刻范围的速度确定为速度矩阵。

可选的，所述模型构建模块，具体包括：

第一判断单元，用于判断所述当前时刻的浮标位置是否在第一设定范围内，得到第一判断结果；

切换约束模型第一确定单元，用于若所述第一判断结果为是，则所述切换约束模型为：

切换约束模型第二确定单元，用于若所述第一判断结果为否，则所述切换约束模型为：

其中，j表示目标函数，u表示控制力矩阵，(u)^t为u的转置矩阵，y表示速度矩阵，q表示第一对角矩阵，z表示浮标位置矩阵，(z)^t表示z的转置矩阵，r表示第二对角矩阵，zmin表示浮标位置最小值，zmax表示浮标位置最大值，umin表示控制力最小值，umax表示控制力最大值。

可选的，所述参数计算单元，具体包括：参数计算子单元，用于

根据公式得到浮标在当前时刻的位置、速度和在下一时刻的状态，其中，x(k+1)表示k+1时刻的状态，a表示第一参数矩阵，x(k)是k时刻的状态，bu表示第二参数矩阵，u(k)是k时刻的控制力，bw表示第三参数矩阵，w(k)是k时刻的波浪高度，y(k)是k时刻的速度，c表示第四参数矩阵，z(k)是k时刻的浮标位置，cz表示第五参数矩阵。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明根据当前时刻的浮标位置构建切换约束模型的约束条件，使得在根据切换约束模型确定的控制力的过程中，可以根据浮标位置的实际情况构建合适的切换约束模型，即能保持装置在海洋环境中安全运行，降低被破坏的风险又能提高能量的转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种波浪能转换装置的控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的振荡式波浪转换装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的应用波浪能转换装置的控制方法对振荡式波浪转换装置的控制方法的流程图；

图4为本实施例公开的切换位置示意图；

图5为本发明实施例提供的一种波浪能转换装置的控制系统的框图。

符号说明：1-浮标、2-液压缸、3-抗深沉板、4-活塞、5-能量输出装置、2.1-浮标最大位置、2.2-最大安全切换位置、2.3-最小安全切换位置、2.4-浮标最小位置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供了一种波浪能转换装置的控制方法，所述方法包括：

步骤101：获取当前时刻的基础参量。所述基础参量包括波浪高度和浮标状态。浮标状态是浮标在垂直方向上的坐标位置和浮标在垂直方向上的速度。

步骤102：基于所述当前时刻的基础参量构建速度矩阵和位置矩阵。

步骤103：根据所述速度矩阵和所述位置矩阵构建切换约束模型，所述切换约束模型的约束条件由当前时刻的浮标位置确定。

步骤104：对所述切换约束模型进行最优解求解得到当前时刻的控制力。可以采用内点法进行最优解求解。

步骤105：所述控制力用于对当前时刻的波浪能转换装置进行控制。

在实际应用中，步骤102具体包括：

基于所述当前时刻的基础参量得到浮标在下一时刻的状态、在当前时刻的位置和速度。位置指的是浮标在垂直方向上的坐标位置，速度指的是浮标在垂直方向上的速度。

将浮标在当前时刻的位置及设定时刻范围的位置确定为位置矩阵；所述设定时刻范围为当前时刻之后的所有时刻。

将浮标在当前时刻的速度及所述设定时刻范围的速度确定为速度矩阵。

在实际应用中，步骤103，具体包括：

判断所述当前时刻的浮标位置是否在第一设定范围内，得到第一判断结果。

若所述第一判断结果为是，则所述切换约束模型为：

若所述第一判断结果为否，则所述切换约束模型为：

其中，j表示目标函数，由波浪能转换装置的吸收功率和对控制力与浮标位移的软约束组成的，u表示控制力矩阵，(u)^t为u的转置矩阵，y表示速度矩阵，q表示第一对角矩阵，z表示浮标位置矩阵，(z)^t表示z的转置矩阵，r表示第二对角矩阵，zmin表示浮标位置最小值，zmax表示浮标位置最大值，umin表示控制力最小值，umax表示控制力最大值。

在实际应用中，所述基于所述当前时刻的基础参量得到浮标在下一时刻的状态、在当前时刻的位置和速度，具体为：

根据得到浮标在当前时刻的位置、速度和在下一时刻的状态，其中，x(k+1)表示k+1时刻的状态，a表示第一参数矩阵，x(k)是k时刻的状态，bu表示第二参数矩阵，u(k)是k时刻的控制力，bw表示第三参数矩阵，w(k)是k时刻的波浪高度，y(k)是k时刻的速度，c表示第四参数矩阵，z(k)是k时刻的浮标位置，cz表示第五参数矩阵。

本发明提供了一种振荡式波浪能转换装置，该装置为一种简单的点吸收器，如图2所示，整个装置包括：浮标1、液压缸2、抗升沉板3、活塞4、能量输出装置5。抗升沉板3在装置的下方，连接着液压缸2，可以整个装置可以看作固定在海床上。海洋中波浪起伏运动，带动浮标1做升沉运动，活塞4连接着浮标1，浮标1的运动带动活塞4运动，从而使活塞4与液压缸2产生相对运动，再利用能量输出装置5补获动能产生能量。本实施例应用上述方法对该装置进行控制，使得该装置在海洋环境中安全工作与高效提取波浪能。

如图3所示，具体控制过程如下：

s1：分析波浪能转换装置受力，建立离散空间表达式。

具体的，s1为：

对浮标受力分析，考虑静水恢复力fh，辐射力fr、激振力fe和受控力fu，应用牛顿第二定律，可得：

式中，m为浮标的质量；为浮标的垂直方向的加速度。

其中，辐射力fr计算公式为：

其中，fr是辐射力的卷积项，ma为附加质量(由于辐射力引起的附加质量)，是xr的导数，xr为辐射力的状态变量是nr×1的列向量；ar是fr的状态空间第一表示矩阵，br是fr的状态空间第二表示矩阵，cr是fr的状态空间第三表示矩阵，为浮标在垂直方向上的速度。

静水恢复力fh计算公式为：fh＝kszv，其中，ks为刚度系数，zv为浮标在垂直方向上的坐标位置；ks＝ρgs；ρ为水的密度；g为重力加速度；s为浮标的水平面面积。

激振力fe可被表示为：

其中，是xe的导数，xe为激振力的状态变量是ne×1的列向量；ae是fe的状态空间第一表示矩阵，be是fe的状态空间第二表示矩阵，w为波浪的高度，ce是fe的状态空间第三表示矩阵。

于是可以得到状态空间表达式：

其中，是x的导数，ac是装置状态空间第一表示矩阵，x为状态变量，buc是装置状态空间第二表示矩阵，u是控制输入，u＝fu，bwc是装置状态空间第三表示矩阵，w为波浪的高度，y为浮标速度，c是装置状态空间第四表示矩阵，z为浮标位置，z＝zv；cz是装置状态空间第五表示矩阵。

式中：

ms为浮标的质量m和附加质量ma之和；

c＝[0101×(nr+ne)]，cz＝[101×(nr+ne+1)]；

nr是xr的行数，ne是xe的行数。

经过离散后，可以得到离散状态空间表达式(波浪装置模型)：公式(3)。

s2：根据装置位置的操作范围，设定安全切换位置。

如图4所示，整个活动范围包括：浮标最大位置2.1、最大安全切换位置2.2、最小安全切换位置2.3、浮标最小位置2.4。具体的，s2为：

确认装置位置的操作范围为zmin～zmax，zmin是浮标最小位置2.4，zmax是浮标最大位置2.1。

设置合适的安全切换位置，作为切换约束模型预测控制的切换标准，zswitchmin是最小安全切换位置2.3，zswitchmax是最大安全切换位置2.2。

zswitchmin～zswitchmax为安全切换范围，装置在安全切换范围内采用无约束模型预测控制，zmin～zswitchmin和zswitchmax～zmax为安全范围外，在安全范围外采用带约束的模型预测控制。

s3：应用模型预测控制原理。

具体的，s3为：

基于所建立的离散状态空间表达式和当前状态x，预测未来的输出状态y和z，i是1到np之间的变量，是在k时刻对k+i时刻y的预测输出，aⁱ表示矩阵a的i次方，a^i-j-1表示矩阵a的i-j-1次方，是在k时刻对在k+i时刻z的预测输出，是在k时刻对k+i时刻u的预测值，是在k+j时刻w的预测值。具体计算过程为将x(k)输入离散状态空间表达式得到：

最终得到速度矩阵y和位置矩阵z：

式中：λxy为针对速度的状态的预测矩阵，为针对速度的控制力的预测矩阵，为针对速度的第一预测矩阵，w为第二预测矩阵，λxz为针对位置的状态预测矩阵，为针对位置的控制力的预测矩阵，为针对位置的第一预测矩阵。

速度矩阵的转置矩阵，

位置矩阵的转置矩阵，针对速度的状态的预测矩阵的转置矩阵，λxy^t＝[ccaca²…ca^np]，a^np为a的np次方。

针对位置的状态预测矩阵的转置矩阵，λxz^t＝[czczacca²…cza^np]，

s4：基于实际状态和设定的安全切换位置，切换目标函数。

具体的，s4为：基于实际状态和设定的安全切换位置，构建目标函数。

其中：fu(k)为k时刻的受控力，为k时刻浮标在垂直方向上的速度，r为控制力系数，q为位置系数，zv(k)为k时刻浮标在垂直方向上的坐标位置，np是预测范围。

将目标函数写为矩阵形式为：

j＝(u)^ty+(u)^tqu+(z)^trz

其中：u^t＝[u0u1…unp-1unp]是求解目标函数得到的控制力矩阵，(u)^t为u的转置矩阵，y表示速度矩阵，q表示第一对角矩阵，z表示浮标位置矩阵，(z)^t表示z的转置矩阵，r表示第二对角矩阵，zmin表示浮标位置最小值，zmax表示浮标位置最大值，umin表示控制力最小值，umax表示控制力最大值。

经过化简去掉每次计算中的常量，最终为：

式中：

f为第一中间参数，h为第二中间参数，r为第三中间参数，w(k)为当前波浪的的预测矩阵。

而在安全操作范围内，目标函数只需满足控制力约束，即：

s.t.umin≤u≤umax

其中，j表示目标函数，由波浪能转换装置的吸收功率和对控制力与浮标位移的软约束组成的，u表示控制力矩阵，(u)^t为u的转置矩阵，umin表示控制力最小值，umin是np行1列的列向量，且向量内部元素均为umin，umax表示控制力最大值，umax是np行1列的列向量，且向量内部元素均为umax。

不在安全操作范围内要加入位置约束，即：

s.t.zmin≤z≤zmax

umin≤u≤umax

其中，zmin表示浮标位置最小值，zmax表示浮标位置最大值，zmin是np行1列的列向量，且向量内部元素均为zmin，zmax是np行1列的列向量，且向量内部元素均为zmax。

s5：求解目标函数，应用控制值。

具体的，s5为。

根据不同位置范围的目标函数进行求解，求解得到最优控制序列u^t＝[u0u1…unp-1unp]，取其中的u0作为控制力控制装置中。

如图5所示，本实施例还提供了一种与上述方法对应的波浪能转换装置的控制系统，所述系统包括：

获取模块a1，用于获取当前时刻的基础参量；所述基础参量包括波浪高度和浮标状态。

矩阵确定模块a2，用于基于所述当前时刻的基础参量构建速度矩阵和位置矩阵。

模型构建模块a3，用于根据所述速度矩阵和所述位置矩阵构建切换约束模型，所述切换约束模型的约束条件由当前时刻的浮标位置确定。

控制力确定模块a4，用于对所述切换约束模型进行最优解求解得到当前时刻的控制力。

控制模块a5，用于所述控制力用于对当前时刻的波浪能转换装置进行控制。

作为一种可选的实施方式，所述矩阵确定模块，具体包括：

参数计算单元，用于基于所述当前时刻的基础参量得到浮标在下一时刻的状态、在当前时刻的位置和速度。

位置矩阵确定单元，用于将浮标在当前时刻的位置及设定时刻范围的位置确定为位置矩阵；所述设定时刻范围为当前时刻之后的所有时刻。

速度矩阵确定单元，用于将浮标在当前时刻的速度及所述设定时刻范围的速度确定为速度矩阵。

作为一种可选的实施方式，所述模型构建模块，具体包括：

第一判断单元，用于判断所述当前时刻的浮标位置是否在第一设定范围内，得到第一判断结果。

切换约束模型第一确定单元，用于若所述第一判断结果为是，则所述切换约束模型为：

切换约束模型第二确定单元，用于若所述第一判断结果为否，则所述切换约束模型为：

其中，j表示目标函数，由波浪能转换装置的吸收功率和对控制力与浮标位移的软约束组成的，u表示控制力矩阵，(u)^t为u的转置矩阵，y表示速度矩阵，q表示第一对角矩阵，z表示浮标位置矩阵，(z)^t表示z的转置矩阵，r表示第二对角矩阵，zmin表示浮标位置最小值，zmax表示浮标位置最大值，umin表示控制力最小值，umax表示控制力最大值。

作为一种可选的实施方式，所述参数计算单元，具体包括：参数计算子单元，用于

根据公式得到浮标在当前时刻的位置、速度和在下一时刻的状态，其中，x(k+1)表示k+1时刻的状态，a表示第一参数矩阵，x(k)是k时刻的状态，bu表示第二参数矩阵，u(k)是k时刻的控制力，bw表示第三参数矩阵，w(k)是k时刻的波浪高度，y(k)是k时刻的速度，c表示第四参数矩阵，z(k)是k时刻的浮标位置，cz表示第五参数矩阵。

本实施例还提供了一种振荡浮标式波浪发电系统，所述系统包括：波浪能量转换装置、能量输出装置和控制系统，所述控制系统内部存储上述控制方法。

波浪能量转换装置负责补获波浪能，并将波浪能转换为机械能，再通过能量转换装置输出能量。

控制系统通过波浪装置模型和切换约束模型预测控制获取当前状态下的最优控制值，从而获得最大能量输出。

本发明具有如下效果：

通过建立模型，应用模型预测控制，在安全操作范围外对装置进行约束控制，在安全操作范围内进行无约束控制，利用切换约束模型预测控制方法基于能量最大化目标计算出最优控制值，在保证装置安全操作的前提下，提高了波浪能转换装置能量输出总量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。