CN109578205B - 一种风力机的智能快速刹车***的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机的智能快速刹车***，由转子罩、定子固连罩、旋转轴密封圈、变阻尼液、弹簧、伸缩插片、电磁铁、线圈、辅助板、辅助架、开关、电源、电气箱组成。工作时伸缩插片由辅助板推出，在变阻尼液中运动，变阻尼液受到磁场作用刚度增加，进而增加转子阻尼力，达到制动效果。其控制***可实现对变阻尼液的无极驱动，实现刹车装置快速精确刹车；MPC中参数取值方法及OPC技术的应用，保证了算法快速收敛、数据处理精度。智能控制流程为：由传感器测量实时信号，产生偏移量后传递到PLC控制器；在PLC中实现MPC算法的结果输出，以电压信号作用于线圈，产生变化的磁场作用于磁流变液，实现刹车减速和制动。

Description

一种风力机的智能快速刹车***的控制方法

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种通过磁流变阻尼液来增加转动阻尼以达到制动效果的刹车减速装置，以及基于一种偏移量控制的模型预测控制算法实现对该装置快速、精确制动的风力机的智能快速刹车***。

背景技术

能源问题是全世界面临的重大发展和生存问题，在传统能源日益消耗、环保问题日渐突出的今天，如何高效利用可清洁能源，特别是风能的高质量利用，是人们亟待解决的重大问题。传统上我国风力机技术和部件主要靠外国技术引进，自主化程度很低，对于我国风电事业的发展极为不利，随着经济与科技的发展，我国必定要解决风力机技术的自主化率问题和产品质量问题。

风力机制动的目的在于限制叶轮和风速，在风力机的制动***中，传统上有气动制动与机械制动两种主要的制动方式，前者主要是在叶片内部内置液压装置，在需要制动时在液压装置的作用下使风力机叶片的叶尖中内置的小叶片弹出或甩出，达到制动效果，但是这种装置安装难度大，维护成本高，可靠性较低。后者主要是用盘式刹车，使刹车片与刹车盘作用，产生制动力矩，这种方法主要的问题是机械刹车在制动时产生很大的热量，这也正是绝大多数风力机容易造成火险事故的原因。所以找到一种高效、简易的制动装置，并实现其快速、精确制动效果，成为风力机制动***技术发展的难题之一。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种风力机的智能快速刹车***。实现制动的刹车减速装置，可以安装在叶片主轴与机舱上，较传统方式而言安装方式更为简单；技术容易实现；装置安全性较高，不会引发火险事故；同时本实发明专利实现了一种基于偏移量控制的模型预测控制(MPC)算法的快速、精确制动的控制***方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明由转子罩、定子固连罩、旋转轴密封圈、变阻尼液、弹簧、伸缩插片、电磁铁、线圈、辅助板、辅助架、开关、电源、熔断器、电气箱组成，所述转子罩上面开螺纹孔，所述转子罩与风力机主轴固定连接；所述转子罩和定子固连罩连接时，使用旋转轴密封圈进行密封，防止内部液体泄漏，所述转子罩和定子罩连接的轴接凹槽内部填充变阻尼液。因变阻尼液与罩壁间存在粘性力，且由于罩壁内的挡板的设置，可以增加变阻尼液的刚度，从而减小变阻尼液的流动性，其运动和变形能力大大下降，伸缩插片在液体中运动就会遭受较大的阻尼力，达到制动效果；

所述定子固连罩为圆环形、中空，所述定子固连罩的罩体上面开螺纹孔，且与风力机机舱或机舱内的固定物通过螺栓固定连接，在定子固连罩的两侧开矩形孔，实现伸缩片的伸缩动作，所述矩形孔与伸缩片紧密接触，并且在孔中安装橡胶封圈以防液体泄漏。

所述变阻尼液选取磁流变液，所述磁流变液在磁场作用下刚度增加。所述伸缩片一段开有两个孔，两个孔分别于弹簧连接。

所述辅助架由两根两端固连在定子固连罩上的铁棒组成，固连方式可为焊接，铁棒中间开限位孔，限制辅助板的两个极限位置。

所述辅助板由带有限位板的轴与板体和板体底部镶嵌的铁块组成，带有限位板的轴上有两个轴肩，轴两端***辅助架的限位孔，轴上的限位板与限位孔相互作用可以限制辅助板的两个极限位置，轴与板体本身为一体，可由直接浇铸生成。

所述开关、电源、熔断器之间以导线连接，开关、电源、熔断器放置在电气箱中，开关可以设置为继电器开关，由风力机主控***控制。

一种风力机的智能快速刹车***控制方法，包括以下步骤：

步骤一：首先实现常规的风轮叶片运转***的二阶***建模，***变量包括三个变量：叶尖的挥舞位移z、风轮转角位移

驱动磁流变液的线圈中的电流i，常规二阶***方程描述为：

其中，状态变量

M₀、C₀、K₀分别为常规建模确定的3×3质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；B₀为3×1挥舞、摆振方向的气动力矩阵；

步骤二：将二阶***转化为一阶***并离散化，令

则方程 (1)转化为：

其中，

将***进一步离散化为：

其中，η_x、η_y为预测变量与实际物理量之间的偏移量；

步骤三：基于偏移量控制的MPC算法：

将方程(3)写为增量形式：

式中I为单位矩阵。然后进一步定义新的状态变量X(k)＝[△x(k)^T y_m(k)^T]^T，将式(4)重写为偏移量信号：

其中，

根据***方程(5)，预测未来第k+j(j＝1,2,...p)时刻的运动轨迹为：

其中，p、p_c分别为预测水平和控制水平系数。取预测水平系数10≤p≤15，可以取得良好的控制效果，且p_c＝p-1；

在偏移量控制的MPC中，为充分利用LQR控制的优点而加速收敛，取相应的偏差域和控制域罚权值矩阵分别定义为：

其中LQR控制器的加权值矩阵分别为Q、R。则相应的控制性能指标可以描述为：

J_min＝△Y^TY_w△Y+△u^Tu_w△u (8)

同时在偏移量的控制中需给定输出信号的目标值为：

其中，r_e为目标调节的性能参数,一般情况下取默认值r_e＝0.1。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种风力机的智能快速刹车***，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)设计了一种基于变阻尼液的新型刹车减速装置，该装置能耗小、装置结构与安装简单、成本较低、响应速度快。能够通过弹出伸缩片和改变液体刚度来增加转子转动的阻尼力，从而改变转子罩所固连的转子轴或其他转子结构的转速，达到制动效果。该装置可与风力机主轴和机舱固连，达到较好的制动效果。

2)采用了一种基于偏移量控制的MPC算法，实现了快速、精确制动的控制***方法。进一步提高了变阻尼液刹车减速装置的有效性和精确性，提高了风力机机组安全性，进而减少风力机和能源利用成本，有利于风能技术的应用和发展，可为节能减排和环保事业做出新的贡献。

附图说明

图1为定子固连罩；

图2为定子固连罩及矩形孔示意图；

图3为辅助架与辅助板示意图；

图4为辅助架示意图；

图5为可伸缩插片示意图；

图6为转子罩示意图；

图7为装置关闭和开启时伸缩片的两个极限位置；

图8为整体装配示意图；

图9为限位孔示意图；

图10为电路图；

图11为电气箱示意图；

图12为控制***硬件结构示意图；

图13为变频解调器工作原理图；

图14为MPC控制流程图。

图中：1.定子固连罩，2.定子螺纹孔，3.线圈，4.伸缩片，5.轴接凹槽，6.弹簧，7.辅助架，8.电磁铁，9.辅助板，10.矩形孔，11.旋转轴密封圈，12.限位孔， 13.限位板，14.转子罩，15.变阻尼液，16.轴肩，17.注射孔，18.孔塞，19.挡板， 20.熔断器，21.开关，22.电源，23.电气箱，24.电气放置架两层，25.锁，26.孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：为解决风力机工作过程中的制动问题，本发明专利的第一部分是提出一种利用可控伸缩插片和变阻尼液实现制动的刹车减速装置，其原理为：当装置开关闭合后，变阻尼液受到线圈所产生的磁场作用，则会增加变阻尼液的刚度，使得在该种液体中运动的转子受到很大的阻尼力作用，并且转子上弹出可控插片，辅助增加转子所受阻尼力，从而达到制动减速的作用。此法可以克服传统风力机制动装置安装、工作时的问题，且技术容易实现，安装和实现难度较低，方式新颖。

本发明专利的减速装置以解决技术背景中所述传统制动***问题的技术方案是：一种可用于风力机的刹车减速装置。装置开关闭合，电源开始给回路内的电磁铁线圈供电，线圈得电后，电磁铁吸引辅助板尾部的金属体，从而使辅助板尾部上升，前部下压，可控伸缩插片在辅助板的下压的作用下弹出；得电的线圈产生磁场，当变阻尼液受到磁场作用，则会极大增加变阻尼液的刚度，使得在该种液体中运动的转子受到很大的阻尼力作用，并且转子上弹出可控插片，辅助增加转子所受阻尼力，转子与风力机主轴通过螺栓连接固连，从而达到制动减速的作用。

本发明主要由转子罩、定子固连罩、旋转轴密封圈、变阻尼液、弹簧、伸缩插片、电磁铁、线圈、辅助板、辅助架、开关、电源、电气箱组成。

如图1所示定子固连罩1为圆环形，中空，罩体上面开定子螺纹孔2，可与风力机机舱或机舱内的固定物通过螺栓固连。在定子固连罩的两侧开矩形孔10 用以伸缩片4的伸缩动作，该孔与伸缩片紧密接触，可安装橡胶封圈或其他密封装置以防液体泄漏。定子固连罩1内部设置线圈3，由电线缠绕组成，绕内部布置，与罩体可用粘接的方式连接，得电后为转子罩14内的变阻尼液15提供磁场。伸缩片4上的一段开有两个小孔，每个小孔分别连接弹簧6，弹簧6的另一端连接在罩体上，可为焊接或设置挂钩等固连方式，弹簧在装置不工作时-即电磁铁8和线圈3不得电时，为拉伸状态，拉住伸缩片4不外伸，且应保证：弹簧力小于电磁铁8所产生的磁力。电磁铁8固连在罩体上，连接方式可为焊接或设置挂钩等方式。

如图2所示定子固连罩及矩形孔示意图可以看到罩体外观，结合图1，罩内部开轴接凹槽5，矩形孔10分别开置在罩体两侧，夹角为180度，以便伸缩片 4弹出。

如图3和图4所示，辅助板9外形约为为十字形，两端为轴，与中间的板体主体为一体，且轴上设置轴肩16，用于限制板***置，且轴两端设置一段突出的限位板13，因限位孔12的形状，轴在孔中转动时可以限制其转动的两个极限位置，对应伸缩片4的伸出和收缩的两种极限状态。辅助板9和辅助架7，考虑到装置重量可以选取高强度塑料。辅助板9底部设置金属块，金属块可与板体镶嵌或胶粘。结合图1和图10，开关21闭合后，电源22可以为电磁铁8和线圈3供电，形成回路，熔断器20起电路保护作用。开关21和电源22、熔断器 20放置在电气箱23内，电气箱23为中空方形箱体，下方焊接在定子固连罩1 上，一侧可以打开，如图11所示，打开后内部有电气放置架24两层，关门后门上设置锁25，并且门上有孔26，可以伸出导线等。

如图6所示，转子罩14为环形，一端设置螺纹孔可与风力机主轴相连。转子罩14上一侧开注射孔17，以方便注射变阻尼液15，并且配备孔塞18，孔塞 18和注射孔17采用螺纹连接方式。罩壁内设置挡板19，沿内壁的周向分布，每个挡板之间的夹角为90度，挡板可与罩体采用焊接等方式固连。转子罩14 与定子固连罩1连接后，转子罩14***定子固连罩1的轴接凹槽5中，可以转动。并且设置旋转轴密封圈11，以防液体泄漏。在伸缩片4伸出后，在变阻尼液15中转动，线圈3得电后在罩体周围形成磁场，变阻尼液15在磁场的作用下刚度增加，因存在于罩体之间的粘性力的作用，且由于罩壁内的挡板的设置，可以减小变阻尼液的流动性，增加转子转动所受到的阻尼力，这样就限制了转子罩14与定子固连罩1的相对转动，起到刹车和减速的效果。

如图10所示，为开关21、电源22，熔断器20、线圈3、电磁铁8的连接方式，彼此间以导线相连。

电磁铁8得电后吸引辅助板9尾部的金属块，使得辅助板9尾部上升，前部下压，辅助板9前部为弧形，紧贴伸缩片4，片体下压时前部将伸缩片4推出，应设置此时的电磁铁8提供的对于伸缩片4的推力大于弹簧6拉紧伸缩片4的拉力。

图12为控制***硬件结构示意图。其中，电流传感器固定在刹车装置中，用来检测线圈中的实际驱动电流；压电加速度传感器固定在空心叶片尖端，用于测量叶尖的挥舞振动加速度，然后二次积分转化为挥舞位移；转速传感器固定在机舱中，用于测量风轮的转速。

其中控制单元包括：PLC控制器CPU模块、用于三种模拟量输入的A/D模块、用于将运算结果以模拟量输出的D/A模块、以及变频解调器。变频解调器结合了常规变频器及部分鉴频功能，首先通过常规变频功能将输入变频解调器的电压信号(来源于模拟量输出D/A模块)转化为频率调制信号，然后将此频率调制信号通过谐振耦合器耦合作用，而生成调幅调频波电压信号，用于产生电磁铁线圈中的驱动电流，从而进一步驱动电磁铁铁芯、并产生磁场以驱动磁流变液介质工作。磁场的强弱，一方面影响电磁铁8提供的对于伸缩片4的推力，另一方面影响变阻尼液的刚度，其影响规律遵循MPC算法的控制过程。另外，PC机中的MATLAB环境，经过OPC技术操作，与PLC控制器CPU模块共同运行MPC算法。

图14为MPC控制流程图。其中，EM231为西门子s7-200系列PLC的A/D模块，将三种模拟量信号读入CPU，作为过程变量，与目标变量值比较后，得到增量信号，进一步用于构建偏移量信号(此信号即为公式(5)中的X信号)；MPC 算法在PC中的MATLAB环境下运行，OPCServer也在PC机中基于一种Kepserver 软件来构建，是OPC技术的核心。OPC技术的运用有效地克服了PLC控制器内存不足、循环扫描运行速度、以及处理精度缺陷，保证了刹车过程的快速性、稳定性、可靠性。

MPC算法的运算结果，通过OPC Server与PLC CPU224模块实时交互。MPC 的运算结果中的电流信号，通过EM232(s7-200系列PLC的D/A模块)以模拟量电压信号的形式输出给变频解调器，形成调幅调频波电压信号，作用于线圈，产生磁场，进一步作用于电磁铁8以及变阻尼液15。

图13为变频解调器工作原理图。EM232以模拟量电压信号的形式驱动常规变频器电路，形成变频输出电压信号。由双电容-电感元件C₁-L₁、C₂-L₂构成一对谐振耦合器，经谐振耦合后输出调幅调频波电压信号。D为单向二极管，C₃-R 组成高通滤波器，经过二极管与滤波器作用后输出低频信号，将该信号经放大器K进一步放大，生成最终的驱动线圈的具有幅度波动的电压信号。该驱动线圈电压信号受MPC控制过程的节制和调节，从而实现连续波动的无极驱动。

本发明专利的创新之处在于：

1)利用可控伸缩插片和变阻尼液实现制动的刹车减速装置，较传统方式而言安全性较高，不会引发火险事故。该思路尚未见之于大型风力机刹车***的应用当中。

2)基于偏移量控制的MPC算法可实现刹车装置的快速且精确刹车；MPC算法中的权值取值结合了LQR控制中的参数，能实现快速收敛。同时目标调节的性能参数r_e可人工设定，可实现装置精确制动而避免冲击(r_e越小制动越精确，但可能延长刹车时间，故需根据风机所处环境实际情况而合理选择)。基于偏移量控制的MPC算法尚未见之于大型风力机刹车***的应用当中。

3)基于谐振耦合的变频解调器电路，能与MPC控制算法相匹配，可实现对磁流变液的连续无极驱动。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种风力机的智能快速刹车***的控制方法，所述风力机的智能快速刹车***由转子罩、定子固连罩、旋转轴密封圈、变阻尼液、弹簧、伸缩插片、电磁铁、线圈、辅助板、辅助架、开关、电源、熔断器、电气箱组成，所述转子罩上面开螺纹孔，所述转子罩与风力机主轴固定连接；所述转子罩和定子固连罩连接时，使用旋转轴密封圈进行密封，防止内部液体泄漏，所述转子罩和定子罩连接的轴接凹槽内部填充变阻尼液，其特征在于，所述风力机的智能快速刹车***的控制方法包括以下步骤：

步骤一：首先实现常规的风轮叶片运转***的二阶***建模，***变量包括三个变量：叶尖的挥舞位移z、风轮转角位移

驱动磁流变液的线圈中的电流i，常规二阶***方程描述为：

其中，状态变量

M₀、C₀、K₀分别为常规建模确定的3×3质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；B₀为3×1挥舞、摆振方向的气动力矩阵；

步骤二：将二阶***转化为一阶***并离散化，令

则方程(1)转化为：

其中，

将***进一步离散化为：

其中，η_x、η_y为预测变量与实际物理量之间的偏移量；

步骤三：基于偏移量控制的MPC算法：

将方程(3)写为增量形式：

式中I为单位矩阵；然后进一步定义新的状态变量X(k)＝[△x(k)^T y_m(k)^T]^T，将式(4)重写为偏移量信号：

其中，

根据***方程(5)，预测未来第k+j(j＝1,2,...p)时刻的运动轨迹为：

其中，p、p_c分别为预测水平和控制水平系数；取预测水平系数10≤p≤15，可以取得良好的控制效果，且p_c＝p-1；

在偏移量控制的MPC中，为充分利用LQR控制的优点而加速收敛，取相应的偏差域和控制域罚权值矩阵分别定义为：

其中LQR控制器的加权值矩阵分别为Q、R；则相应的控制性能指标可以描述为：

J_min＝△Y^TY_w△Y+△u^Tu_w△u (8)

同时在偏移量的控制中需给定输出信号的目标值为：

其中，r_e为目标调节的性能参数,一般情况下取默认值r_e＝0.1。

Images