基于时序分析的变桨距风机多模态运行优化控制装置及运行方法与流程

技术特征：

1.一种基于时序分析的变桨距风机多模态运行优化控制装置，其特征在于：所述控制装置包括：人机接口单元模块、模态感知模块、时序分析模块、时序统计数据记录模块、变桨系统在线辨识模块、控制器参数优化模块、模糊自整定多模态PID控制系统模块和控制性能计算模块；

所述人机接口单元模块与所述模态感知模块、时序分析模块和控制性能计算模块连接；所述模态感知模块与风力发电系统模态控制器和时序分析模块连接；所述时序分析模块与变桨系统各组件和时序统计数据记录模块连接；所述时序统计数据记录模块与变桨系统在线辨识模块连接；所述变桨系统在线辨识模块和控制器参数优化模块相连接；所述控制器参数优化模块与模糊自整定多模态PID控制系统模块连接；所述模糊自整定多模态PID控制系统模块与变桨控制器连接；所述控制性能计算模块与变桨控制器连接；所述人机接口单元模块用于数据和图像显示；所述模态感知模块用于获取所述风力发电系统当前模态信息；所述时序分析模块用于分析所述变桨系统各组件时序表现、获取所述各组件在模态切换指导阶段和响应阶段所耗时间并生成时序分析图；所述时序统计数据记录模块用于记录时序分析模块产生的变桨系统各组件时序统计数据，并计算出所述变桨系统在模态切换指导阶段和响应阶段所耗时间；所述变桨系统在线辨识模块用于获取所述变桨系统在模态切换过程中的动态特性，并推算出所述变桨系统动态模型；所述控制器参数优化模块用于计算出当前模态切换过程中所述变桨控制器最优参数；所述模糊自整定多模态PID控制系统模块用于结合当前模态和其他模态切换过程中所述变桨控制器最优参数，综合生成所述变桨控制器参数；所述控制性能计算模块用于计算所述变桨系统全工况运行过程中的性能指标；其中，所述风力发电系统包括风力发电系统模态控制器和变桨系统各组件，所述变桨系统各组件包括变桨控制器、液压执行器和联动装置。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述模糊自整定多模态PID控制系统模块包括：模糊整定器、可变增益参数K₁和K₂,其中，K₁表示其他模态切换过程中所述变桨控制器最优参数；K₂表示当前模态切换过程中所述变桨控制器最优参数。

3.一种如权利要求1所述的控制装置的运行方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：模态感知模块从风力发电系统模态控制器中获取当前模态信息；

步骤2：模态感知模块将当前模态信息传输至时序分析模块和人机接口单元模块；

步骤3：时序分析模块获取变桨系统各组件时序信号；

步骤4：时序分析模块根据当前模态信息和变桨系统各组件时序信号，分析变桨系统各组件时序表现、获取变桨系统各组件在模态切换指导阶段和响应阶段所耗时间并生成时序分析图；

步骤5：时序分析模块将时序分析图传输至人机接口单元模块，将变桨系统各组件在模态切换指导阶段和响应阶段所耗时间传输至时序统计数据记录模块；

步骤6：时序统计数据记录模块记录时序分析模块产生的各组件时序统计数据，并根据变桨系统各组件在模态切换指导阶段和响应阶段所耗时间计算出整个变桨系统在模态切换指导阶段和响应阶段所耗时间；

步骤7：时序统计数据记录模块将整个变桨系统在模态切换指导阶段和响应阶段所耗时间传输至变桨系统在线辨识模块；

步骤8：变桨系统在线辨识模块根据整个变桨系统在模态切换指导阶段和响应阶段所耗时间运算出变桨系统广义对象在模态切换过程中的动态特性，并推算出变桨系统动态模型；

步骤9：变桨系统在线辨识模块将变桨系统动态模型传输至控制器参数优化模块；

步骤10：控制器参数优化模块根据当前所述变桨系统动态模型计算出当前模态切换过程中变桨控制器最优参数；

步骤11：控制器参数优化模块将当前所述变桨控制器最优参数传输至模糊自整定多模态PID控制系统模块；

步骤12：模糊自整定多模态PID控制系统模块结合上述当前模态和其他模态切换过程中的变桨控制器最优参数，综合生成变桨控制器参数；

步骤13：模糊自整定多模态PID控制系统模块将变桨控制器参数传输至变桨控制器，更新变桨控制器参数；

步骤14：控制性能计算模块根据变桨控制器的桨距角指令和叶片桨距角信号计算变桨系统全工况运行过程中各项性能指标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤1中所述风力发电系统的所述模态为：停泊模态、启动模态、发电模态和制动模态，所述风力发电系统在任意两个模态之间切换。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在所述停泊模态下，所述模态控制器发出变桨制动信号和停泊制动信号至所述变桨控制器，所述变桨系统切出；在所述启动模态下，所述变桨制动信号和停泊制动信号解除，所述变桨控制器根据风速和风机转速计算出控制量，将其作用于液压执行机构的比例阀，所述比例阀驱动液压缸活塞位置变化，进而改变桨距角；在所述发电模态下，变桨控制器通过风机转速和风切入角的偏差计算其输出量，利用该输出量驱动所述液压缸活塞位置变化以改变桨距角，使风机在风速变化过程中将其转速维持在额定转速附近；在所述制动模态下，所述模态控制器发出变桨制动信号，驱动液压执行器通过所述联动装置向风机叶片施加驱动力，使叶片偏转至预期位置，并通过所述联动装置的锁定使叶片保持其桨距角为-90°。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤4中所述时序图包括所有在基于组件的模态感知模型中出现、且参与模态切换过程的变桨系统各组件，每个组件占时序分析图的一列；在每一列上，组件的不同行为以不同的填充色表示，并按照时间顺序排列，色块长度与所述组件行为持续长度成正比；不同组件之间的通讯信号以不同颜色的有向线段表示。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述每个组件在模态切换过程中的执行时间分为两个阶段：指导阶段和响应阶段，在指导阶段，所述每个组件接收并处理来自前一组件的指令；在执行阶段，所述每个组件进行相应的运行操作并返回当前状态。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述变桨系统各组件在所述模态切换指导阶段和响应阶段的所耗时间为：

T_total＝T_top

T_i＝T_gs-i+T_rs-i

T_gs-i＝t_re+t_pr，T_rs-i＝t_pf+t_rt

其中：T_total表示模态切换过程总时间，T_top表示顶层组件的执行时间，T_i是第i个组件的执行时间，T_gs-i表示第i个组件的指导阶段时间，T_rs-i表示第i个组件的执行阶段时间，t_re表示第i个组件指令接收时间，t_pr表示第i个组件的指令处理时间，t_pf表示第i个组件的运行时间，t_rt表示第i个组件的状态返回时间。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤8中所述变桨系统广义对象是由液压执行器、联动装置和叶片组成的；所述变桨控制器参数为所述变桨系统内回路控制器参数。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述性能指标包括：各模态切换过程总时间、绝对值误差积分指标IAE、时间与绝对值乘积积分指标ITAE和均方差指标MSE；其中：

$IAE={\∫}_{t_1}^{t_2}\left|e\left(t\right)\right|dt$

$ITAE={\∫}_{t_1}^{t_2}t\left|e\left(t\right)\right|dt$

其中，t₁为开始计算性能指标的时刻，t₂为结束计算性能指标的时刻，t为积分时间，e(t)为误差，w_i为加权系数，y_i为第i个参数值，为n个参数值的平均值，n为参数值总数。