基于T-S模糊模型的风机系统状态观测与控制问题研究

作     者：孙荷雨 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：刘亚娟;张东明

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：海上风机 T-S模糊模型 海面覆冰载荷 变桨控制 状态观测器 容错控制 

摘      要：海上风电已成为风力发电的重要发展方向,具有广阔的开发前景,但也受到恶劣天气和多变海洋环境的影响,面临诸多挑战。我国高纬度海域在冬季会出现结冰的情况,海面覆冰撞击会对海上风机的塔架振动和气动特性产生影响,由此引发的冰灾事故威胁着风机的安全与寿命,给风机的变桨控制带来考验。此外复杂的环境及多变的运行工况使风机变桨执行器极易发生泵磨损、液压泄露等故障,导致经济损失严重,甚至危及人员安全。因此,考虑海面覆冰扰动的影响,研究风、冰联合扰动下风机的变桨控制及状态监测,有利于提高寒冷水域海上风机抵御冰载荷的能力,提高风机的安全性与寿命;而研究执行器故障状况下的故障重构和容错控制方法可显著减少风机停机时间,降低维护成本,对提高风机系统的可靠性具有重要意义。本文围绕风、冰联合扰动下近海固定式风机的变桨控制、状态监测以及执行器故障状况下风机的故障重构和容错控制展开研究。开展的工作主要包含以下内容:(1)建立了风机各部分的机理模型及海面覆冰载荷模型,由泰勒公式在工作点处线性化后得到风机单风速点状态空间模型,并利用T-S模糊方法对单个风速点模型加权组合,并结合FAST所导入的动态参数,最终得到了考虑风、冰扰动且能够覆盖大范围风速区域的风机T-S模糊模型。(2)针对受到风及海面覆冰扰动的风机,为保证其安全稳定运行,在模糊模型基础上,结合状态反馈控制、T-S模糊控制及H∞理论等方法,利用其良好的稳态精度与抗干扰能力,设计变桨控制器及观测器并得到稳定性准则,在不同风况及冰况组合下进行算例仿真,并与FAST软件中PI控制器进行控制效果对比,证明了所设计控制器的优越性与观测器的有效性。(3)针对风机的执行器故障情况,根据其T-S模糊模型,设计T-S模糊H∞比例积分故障/状态观测器,在观测器中引入积分作用,提高了稳态跟踪精度与抗干扰能力,并对增广系统进行稳定性分析并求解增益,在故障重构的基础上进行容错控制器的设计,最后对不同故障情况进行仿真分析,仿真结果表明,故障观测器所重构的执行器故障量能够有效跟踪实际故障值,容错控制具有良好的控制效果。