考虑输入饱和的漂浮式海上风力机的鲁棒控制器设计方法

本发明涉及一种鲁棒控制器设计方法，尤其涉及一种考虑输入饱和的漂浮式海上风力机的鲁棒控制器设计方法，属于风力发电设备及其控制。

背景技术：

1、随着世界经济的飞速发展，全球对清洁能源的需求日益迫切。漂浮式海上风力机作为一种具有广泛应用前景的新型风能发电技术，相较于传统的固定式风力机，其更适合在深海运行，从而更充分地利用深海稳定且丰富的风能资源。然而，由于漂浮式海上风力机具有增加的浮式基础自由度，以及受到更高强度、更随机的深海海域风浪载荷影响，其承受的结构荷载更大，这将对其使用寿命产生影响。因此，漂浮式海上风力机的减载控制研究具有重要的实际意义。

2、现有技术中，风力发电机减载控制技术主要分为两种，即桨距控制和结构控制。前者的主要思想是：根据载荷情况在线调节叶片桨距角，从而改变转子推力以减轻负载。虽然桨距控制方法可以取得较好的减载效果，但是更多的桨距角使用，可能会造成更大的输出功率波动，并增加叶根负荷。后者的主要思想是：配置附加动力主动调谐质量阻尼器，通过主动调谐质量阻尼器与风力机相互作用，由附加装置吸收部分外部能力，从而达到减载的目的。主动调谐质量阻尼器的行程是其在风力机实际应用中的关键约束，而主动结构控制可以通过控制器产生主动力约束主动调谐质量阻尼器的行程，且其具有控制效果好、抗干扰能力强等优势。

3、然而，受漂浮式海上风力机复杂结构和扰动的影响，现有的漂浮式海上风力机主动结构控制方法较为单一，且忽略了的主动结构控制中存在的执行器饱和问题。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种对执行器饱和现象进行了补偿，有效地降低风力机载荷并减小主动调谐质量阻尼器行程的考虑输入饱和的漂浮式海上风力机的鲁棒控制器设计方法。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明所述的考虑输入饱和的漂浮式海上风力机的鲁棒控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、s1：建立具有饱和执行器的漂浮式海上风力机简化状态空间模型；

5、s2：基于漂浮式海上风力机简化状态空间模型，辨识未知的风力机系统结构参数；

6、s3：基于漂浮式海上风力机简化状态空间模型中的执行器饱和函数，设计近似的可导饱和函数；

7、s4：基于设计的饱和函数，结合反步设计法，设计考虑输入饱和的漂浮式海上风力机的鲁棒控制器。

8、进一步地，步骤s1所述具有饱和执行器的漂浮式海上风力机简化状态空间模型为：

9、

10、y＝hx

11、其中，u是理想输入，x为系统状态，y为系统输出，sat(u)表示受饱和型非线性影响的实际输入，

12、

13、d＝[dwave，dwind，0]t，

14、

15、

16、

17、y＝[ptfmpitch，ttdspfa，tmdxdxn]t，

18、

19、

20、

21、

22、

23、

24、式中，dwind和dwave分别为风载荷和浪载荷；i表示单位矩阵；ptfmpitch表示漂浮平台俯仰角，ttdspfa表示塔架顶部前后位移，tmdxdxn表示主动调谐质量阻尼器的相对位移；θp表示漂浮平台顺风方向俯仰角度，表示对漂浮平台顺风方向俯仰角度求导，θt表示塔架顺风方向俯仰角度，表示对塔架顺风方向俯仰角度求导，xt表示主动调谐质量阻尼器顺风方向位移，表示对主动调谐质量阻尼器顺风方向位移求导，[…]t表示转置；ip和it分别为平台和叶轮-机舱-塔架系统的转动惯量，mp和mt分别为平台和叶轮-机舱-塔架系统的质量；dt和kt分别为塔架结构阻尼和刚度；dp和kp分别为锚链和水动力系统的等效阻尼和刚度；dt和kt分别为主动调谐质量阻尼器的被动阻尼和刚度，mt为质量；rt为叶轮-机舱-塔架重心距塔架-平台连接点距离；rp为平台重心距塔架-平台连接点距离；rt为主动调谐质量阻尼器距塔架-平台连接点距离，g为重力加速度，umax和umin分别是实际输入的上界和下界。

25、进一步地，步骤s2所述基于漂浮式海上风力机简化状态空间模型，辨识未知的系统结构参数，包括以下步骤，

26、s21：在静水无风的情况下，记录风力机仿真软件中的风力机在漂浮平台具有一定初始俯仰角度作用下，塔架顶部前后位移ttdspfa和漂浮平台俯仰角度ptfmpitch随时间的自由响应；

27、s22：使所述简化状态空间模型具有同样漂浮平台初始俯仰角度，建立优化问题，其中目标函数为使简化状态空间模型的输出与步骤s21中记录的自由响应输出差值的平方和最小化，决策变量为风力机系统结构参数kt，kp，dt，dp，it，ip，对优化问题求解，得到结构参数kt，kp，dt，dp，it，ip。

28、作为优选地，所述对优化问题求解，具体方法为，调用matlab优化工具箱中的levenberg-marquardt算法求解。

29、进一步地，步骤s3所述基于漂浮式海上风力机简化状态空间模型中的执行器饱和函数，设计近似的可导饱和函数，具体为设计一个逼近程度可调的c2二阶可导函数来近似不可导的非线性饱和函数sat(u)，设计的近似的可导饱和函数为：

30、

31、其中，

32、进一步地，步骤s4所述设计考虑输入饱和的漂浮式海上风力机的鲁棒控制器，包括虚拟控制律设计、观测器设计和理想控制律设计。

33、进一步地，所述虚拟控制律设计，具体为，设计基于h∞理论的状态反馈和扰动补偿的虚拟控制律，如下所示：

34、

35、其中，k1＝wp-1和分别是状态反馈矩阵和扰动补偿矩阵；是对扰动的估计，状态反馈矩阵k1根据h∞理论进行优化，其中w和p为以下凸优化算法的解：

36、minγs.t.p＞0

37、

38、其中，γ是正常数，表示系统输出的权重系数，“＞0”表示矩阵正定，“<0”表示矩阵负定；

39、定义跟踪误差信号z＝g(u)-α，将漂浮式海上风力机系统的简化状态空间模型重写为如下形式：

40、

41、其中，为扰动估计误差，δu＝sat(u)-g(u)。

42、进一步地，所述观测器设计，具体为，引入扩展状态观测器如下：

43、

44、其中，q＝[θp，θt，xt]t，表示求导，表示q的导数的估计，表示对求导，表示对求导，f1和f2均为非正对角矩阵。

45、进一步地，所述理想控制律设计，具体为，设计理想输入的动态方程如下：

46、

47、其中，v是正常数；β为待设计的辅助信号，设计如下：

48、

49、其中，是nussbaum偶函数，表达形式如下：

50、

51、l是正常数，χ为自适应变化信号，e为自然常数；

52、的设计如下：

53、

54、其中，表示求偏导数，θ1＞1/2。

55、基于相同的发明构思，本发明还提供了一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上述任一项所述的考虑输入饱和的漂浮式海上风力机的鲁棒控制器设计方法的步骤。

56、有益效果：本发明针对漂浮式海上风力机主动结构控制中存在的执行器饱和问题，提出一种考虑输入饱和的漂浮式海上风力机的鲁棒主动结构控制方法，在抑制风浪扰动的同时，对执行器饱和现象进行了补偿，可以有效地降低风力机载荷，并减小主动调谐质量阻尼器的行程。