CN110513253B - 一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置及其工作方法，该装置包括：空间六自由度并联机构，主要由固定平台、运动平台、设于两平台之间的六个支链以及六个支链的驱动装置组成，用于使运动平台相对固定平台进行六自由度运动输出；风机模型，安装于空间六自由度并联机构的运动平台上，用于模拟海上漂浮式风机；数据采集模块，安装于空间六自由度并联机构的运动平台与风机模型的底部之间，用于采集运动平台的位姿及受力数据，并传输给运动控制***；以及运动控制***，用于根据输入的位姿的运动轨迹或受力数据，对空间六自由度并联机构进行运动控制。该装置及其工作方法有利于便捷有效地模拟海上漂浮式风机在海洋环境下的工况。

Description

一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及海上风力发电机技术领域，具体涉及一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置及其工作方法。
背景技术
随着世界范围内化石能源的枯竭，可再生能源技术得到空前发展。其中，风力发电技术近几十年来已被广泛应用，尤其是海上风电技术现今已成为人类研究开发和利用的热点。海洋风能资源具有持久、稳定、质量高等优点，因此具有较大的发电潜力和较好的发电效果。这种资源优势由近海到远海逐渐增强，而对于远海区域，水深一般超过50米，固定基桩式风机平台已经不再适用，漂浮式平台成为更加合适的选择。目前深海漂浮式风电技术还未得到大规模利用，因为其所处海洋环境具有极大的复杂性和不确定性，例如风浪等载荷联合作用，都使得其研制和开发面临巨大的困难。
水池试验是漂浮式风机研发、设计和验证的重要手段，目前世界上已经建有很多专业的具有造波功能的实验水池。但是，海上风机结构整体处于海风和海水两种不同介质中，风机模型必须同时满足两种相似准则才能保证实验可靠性，而这在现实中是难以实现的。同时，现有的水池占地大成本高，造波消波程序复杂，实验周期较长，所用风场质量一般不高。这些使得漂浮式风机的研究开发受到了极大程度的限制。可以看出，研发可模拟水池或海洋环境的等效实验装置成为重要的解决方案之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置及其工作方法，该装置及其工作方法有利于便捷有效地模拟海上漂浮式风机在海洋环境下的工况。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置，其特征在于，包括：
空间六自由度并联机构，主要由固定平台、运动平台、设于两平台之间的六个支链以及六个支链的驱动装置组成，用于使运动平台相对固定平台进行三转动三移动的六自由度运动输出；
风机模型，安装于空间六自由度并联机构的运动平台上，用于模拟海上漂浮式风机；
数据采集模块，安装于空间六自由度并联机构的运动平台与风机模型的底部之间，用于采集运动平台的位姿及受力数据，并传输给运动控制***；以及
运动控制***，用于根据输入的位姿的运动轨迹或受力数据，对空间六自由度并联机构进行运动控制。
进一步地，所述数据采集模块包括六分力传感器、倾角传感器和位移传感器，用于测量所述风机模型运动对运动平台的作用力，以及运动平台在运动时的倾角和位移。
进一步地，所述运动控制***包括数据处理模块和通信模块，所述数据处理模块内设有运动计算模块，用于根据输入的位姿的运动轨迹或受力数据，计算出空间六自由度并联结构各支链的实际运动量并将其转化为数字信号，所述通信模块用于将生成的数字信号传输给空间六自由度并联机构，以对其进行运动控制。
进一步地，所述运动计算模块进行位姿和受力的运动学方程正解与逆解，计算所用的运动学方程如下：
其中，[Mf]表示运动平台质量矩阵，[Rf]表示运动平台阻尼矩阵，[Kf]表示运动平台刚度矩阵，Fhst表示运动平台静水恢复力，Fmoor表示运动平台系泊力，Fhydro表示运动平台受到的水动力，Faero表示风机模型受到的气动力。
进一步地，所述空间六自由度并联机构包括固定平台、运动平台、设于两平台之间的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链、第五支链、第六支链以及六个支链的驱动装置，所述第一支链、第二支链、第三支链、第四支链、第五支链、第六支链依次均布于两平台周部并分别连接两平台，所述第一支链、第三支链、第五支链为RSS型运动支链，所述第二支链、第四支链、第六支链为PSS型运动支链。
进一步地，所述RSS型运动支链包括第一主动臂和第一从动杆，所述第一主动臂下端与固定平台通过第一转动副连接，所述第一主动臂上端与第一从动杆下端通过第一球副连接，所述第一从动杆上端与运动平台通过第二球副连接，所述RSS型运动支链的驱动装置根据运动控制***的控制指令，驱动第一主动臂相对于固定平台转动。
进一步地，所述PSS型运动支链包括第一主动滑块和第二从动杆，所述固定平台上设有滑轨，所述第一主动滑块与固定平台上的滑轨通过第一移动副连接，所述第一主动滑块还与第二从动杆下端通过第三球副连接，所述第二从动杆上端与运动平台通过第四球副连接，所述PSS型运动支链的驱动装置根据运动控制***的控制指令，驱动第一主动滑块在固定平台相应的滑轨上滑动。
进一步地，两平台之间还设有第七支链，所述第七支链连接两平台中部，所述第七支链为SPS型运动支链。
进一步地，所述SPS型运动支链包括第一运动杆和第二运动杆，所述第一运动杆下端与固定平台中部通过第五球副连接，所述第一运动杆上端与第二运动杆下端通过第二移动副连接，所述第二运动杆上端与运动平台中部通过第六球副连接。
本发明还提供了一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1、装置启动，当要求解运动平台的受力情况时，进入步骤2，当要求解运动平台的位姿状态时，进入步骤4；
步骤2、输入运动平台位姿的运动轨迹，运动控制***将运动轨迹传输给数据处理模块，数据处理模块通过运动学方程将运动轨迹处理为各支链的实际运动量，并转换为成数字信号；
步骤3、运动控制***通过通信模块将数字信号传输到空间六自由度并联机构，控制各支链的驱动装置工作，使运动平台按输入的位姿运动轨迹运动，然后进入步骤6；
步骤4、输入运动平台的受力数据，运动控制***将受力数据传输给数据处理模块，数据处理模块通过运动学方程将受力数据处理为各支链的实际运动量，并转换为成数字信号；
步骤5、运动控制***通过通信模块将数字信号传输到空间六自由度并联机构，控制各支链的驱动装置工作，使运动平台按达到输入的受力数据对应的位姿运动；
步骤6、数据采集模块采集运动平台的位姿及受力数据并传输给运动控制***进行校验，完成闭环控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该模拟平台装置可以匹配目前投入或未投入实际应用的大部分型号水平轴和垂直轴风机缩比模型进行模拟实验，便捷有效地模拟海上漂浮式风机在海洋环境下的工况，既可以实现海上漂浮式风机的定姿态模拟，亦可通过运动平台实现海上漂浮式风机的连续动姿态模拟，同时其也能作为陆上风机的模拟实验平台，实现多种作业，且该装置结构简单，易于实现，在模拟模型风机***领域都有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明第一实施例的结构示意图。
图2是本发明第一实施例中空间六自由度并联机构的结构示意图。
图3是本发明第一实施例中RSS型运动支链的结构示意图。
图4是本发明第一实施例中PSS型运动支链的结构示意图。
图5是本发明第一实施例中SPS型运动支链的结构示意图。
图6是本发明第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置，如图1所示，包括空间六自由度并联机构A3、风机模型A41、数据采集模块A1和运动控制***A2。
所述空间六自由度并联机构A3主要由固定平台、运动平台、设于两平台之间的六个支链以及六个支链的驱动装置组成，用于使运动平台相对固定平台进行三转动三移动的六自由度运动输出。
所述风机模型A41安装于空间六自由度并联机构A3的运动平台中心上，用于模拟海上漂浮式风机。
所述数据采集模块A1安装于空间六自由度并联机构A3的运动平台与风机模型A41的底部之间，用于采集运动平台的位姿及受力数据，并传输给运动控制***。所述数据采集模块包括六分力传感器、倾角传感器和位移传感器，用于测量所述风机模型运动对运动平台的作用力，以及运动平台在运动时的倾角和位移。
所述运动控制***A2用于根据输入的位姿的运动轨迹或受力数据，对空间六自由度并联机构进行运动控制。所述运动控制***为开放式运动控制***，其开放性为既可根据实际海况条件输入特定位姿的运动轨迹求解受力情况，又可根据实际受力情况求解位姿状态。
所述运动控制***包括数据处理模块和通信模块，所述数据处理模块内设有运动计算模块，用于根据输入的位姿的运动轨迹或受力数据，计算出空间六自由度并联结构各支链的实际运动量并将其转化为数字信号，所述通信模块用于将生成的数字信号传输给空间六自由度并联机构，以对其进行运动控制。
所述运动计算模块可以进行位姿和受力的运动学方程正解与逆解，计算所用的运动学方程如下：
其中，[Mf]表示运动平台质量矩阵，[Rf]表示运动平台阻尼矩阵，[Kf]表示运动平台刚度矩阵，Fhst表示运动平台静水恢复力，Fmoor表示运动平台系泊力，Fhydro表示运动平台受到的水动力，Faero表示风机模型受到的气动力。
如图2所示，所述空间六自由度并联机构包括固定平台9、运动平台8、设于两平台之间的第一支链1、第二支链2、第三支链3、第四支链4、第五支链5、第六支链6以及六个支链的驱动装置，所述第一支链1、第二支链2、第三支链3、第四支链4、第五支链5、第六支链6依次均布于两平台周部并分别连接两平台，所述第一支链1、第三支链3、第五支链5为RSS型运动支链，所述第二支链2、第四支链4、第六支链6为PSS型运动支链。
如图3所示，所述第一、三、五支链，即所述RSS型运动支链包括第一主动臂101和第一从动杆102，所述第一主动臂101下端与固定平台9通过第一转动副R1连接，所述第一转动副为该支链的主动运动副，所述第一主动臂101上端与第一从动杆102下端通过第一球副S1连接，所述第一从动杆102上端与运动平台8通过第二球副S2连接，从而组成RSS型运动支链。所述RSS型运动支链的驱动装置根据运动控制***的控制指令，驱动第一主动臂101相对于固定平台转动。当第一主动臂101转动时，即带动第一从动杆102相对于固定平台9运动。RSS型运动支链的驱动装置固定于固定平台上，可以采用伺服电机实现。
如图4所示，所述第二、四、六支链，即所述PSS型运动支链包括第一主动滑块201和第二从动杆202，所述固定平台9上设有滑轨，所述第一主动滑块201与固定平台9上的滑轨通过第一移动副P1连接，所述第一移动副为该支链的主动运动副，所述第一主动滑块201还与第二从动杆202下端通过第三球副S3连接，所述第二从动杆202上端与运动平台8通过第四球副S4连接，从而组成PSS型运动支链。所述PSS型运动支链的驱动装置根据运动控制***的控制指令，驱动第一主动滑块201在固定平台相应的滑轨上滑动。当第一主动滑块201在滑轨上滑动时，即带动第二从动杆202相对于固定平台9运动。PSS型运动支链的驱动装置固定于固定平台上，可以采用电缸机构实现。
如图5所示，在本实施例中，两平台之间还设有第七支链7，所述第七支链7连接两平台中部，所述第七支链为SPS型运动支链。所述SPS型运动支链包括第一运动杆301和第二运动杆302，所述第一运动杆301下端与固定平台9中部通过第五球副S5连接，所述第一运动杆301上端与第二运动杆302下端通过第二移动副P2连接，所述第二运动杆302上端与运动平台8中部通过第六球副S6连接。
根据并联机构运动机理，在第一支链1、第三支链3、第五支链5的第一转动副，以及第二支链2、第四支链4、第六支链6的第一移动副的共同作用下，唯一确定运动平台8的一个位姿，以实现运动平台8相对固定平台9的3个转动与3个移动的运动。
在本发明中，风机模型可以是目前应用的任意型号水平轴或垂直轴风机缩比模型。如图1所示，在本实施例中，风机模型是水平轴风机模型A41，其由叶片、轮毂、机舱、塔筒组成；塔筒底部垂直安装在运动平台中心，与数据采集模块连接；所述机舱包括主轴、直流电机、机舱结构件、扭矩传感器和振动传感器，所述直流电机固定设置在机舱内，所述直流电机的输出轴与所述扭矩传感器、振动传感器连接，所述直流电机的输出轴通过齿轮组与所述主轴连接；所述轮毂与主轴的一端固定连接；所述塔筒为底部大顶部小的锥形刚性构件，所述机舱安装在所述塔筒顶部。如图6所示，在本发明其他实施例中，风机模型为垂直轴风机模型A42，其由叶片、连接支架、轮毂、电机、塔筒等组成；连接支架-塔筒垂直安装在运动平台中心，与数据采集模块连接；所述电机安装在塔筒内，所述电机固定安装在运动平台上，所述电机通过主轴与轮毂连接，所述电机所述扭矩传感器、振动传感器连接，所述主轴穿过塔筒与所述轮毂固定连接；所述塔筒为圆柱形刚性构件。
本发明还提供了上述海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1、装置启动，当要求解运动平台的受力情况时，进入步骤2，当要求解运动平台的位姿状态时，进入步骤4；
步骤2、输入运动平台位姿的运动轨迹，运动控制***将运动轨迹传输给数据处理模块，数据处理模块通过运动学方程将运动轨迹处理为各支链的实际运动量，并转换为成数字信号；
步骤3、运动控制***通过通信模块将数字信号传输到空间六自由度并联机构，控制各支链的驱动装置工作，使运动平台按输入的位姿运动轨迹运动，然后进入步骤6；
步骤4、输入运动平台的受力数据，运动控制***将受力数据传输给数据处理模块，数据处理模块通过运动学方程将受力数据处理为各支链的实际运动量，并转换为成数字信号；
步骤5、运动控制***通过通信模块将数字信号传输到空间六自由度并联机构，控制各支链的驱动装置工作，使运动平台按达到输入的受力数据对应的位姿运动；
步骤6、数据采集模块采集运动平台的位姿及受力数据并传输给运动控制***进行校验，完成闭环控制。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置，其特征在于，包括：
空间六自由度并联机构，主要由固定平台、运动平台、设于两平台之间的六个支链以及六个支链的驱动装置组成，用于使运动平台相对固定平台进行三转动三移动的六自由度运动输出；
风机模型，安装于空间六自由度并联机构的运动平台上，用于模拟海上漂浮式风机；
数据采集模块，安装于空间六自由度并联机构的运动平台与风机模型的底部之间，用于采集运动平台的位姿及受力数据，并传输给运动控制***；以及
运动控制***，用于根据输入的位姿的运动轨迹或受力数据，对空间六自由度并联机构进行运动控制；
所述空间六自由度并联机构包括固定平台、运动平台、设于两平台之间的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链、第五支链、第六支链以及六个支链的驱动装置，所述第一支链、第二支链、第三支链、第四支链、第五支链、第六支链依次均布于两平台周部并分别连接两平台，所述第一支链、第三支链、第五支链为RSS型运动支链，所述第二支链、第四支链、第六支链为PSS型运动支链；
所述RSS型运动支链包括第一主动臂和第一从动杆，所述第一主动臂下端与固定平台通过第一转动副连接，所述第一主动臂上端与第一从动杆下端通过第一球副连接，所述第一从动杆上端与运动平台通过第二球副连接，所述RSS型运动支链的驱动装置根据运动控制***的控制指令，驱动第一主动臂相对于固定平台转动；
所述PSS型运动支链包括第一主动滑块和第二从动杆，所述固定平台上设有滑轨，所述第一主动滑块与固定平台上的滑轨通过第一移动副连接，所述第一主动滑块还与第二从动杆下端通过第三球副连接，所述第二从动杆上端与运动平台通过第四球副连接，所述PSS型运动支链的驱动装置根据运动控制***的控制指令，驱动第一主动滑块在固定平台相应的滑轨上滑动；
两平台之间还设有第七支链，所述第七支链连接两平台中部，所述第七支链为SPS型运动支链；所述SPS型运动支链包括第一运动杆和第二运动杆，所述第一运动杆下端与固定平台中部通过第五球副连接，所述第一运动杆上端与第二运动杆下端通过第二移动副连接，所述第二运动杆上端与运动平台中部通过第六球副连接。
2.根据权利要求1所述的一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置，其特征在于，所述数据采集模块包括六分力传感器、倾角传感器和位移传感器，用于测量所述风机模型运动对运动平台的作用力，以及运动平台在运动时的倾角和位移。
3.根据权利要求1所述的一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置，其特征在于，所述运动控制***包括数据处理模块和通信模块，所述数据处理模块内设有运动计算模块，用于根据输入的位姿的运动轨迹或受力数据，计算出空间六自由度并联结构各支链的实际运动量并将其转化为数字信号，所述通信模块用于将生成的数字信号传输给空间六自由度并联机构，以对其进行运动控制。
4.根据权利要求3所述的一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置，其特征在于，所述运动计算模块进行位姿和受力的运动学方程正解与逆解，计算所用的运动学方程如下：
其中，[Mf]表示运动平台质量矩阵，[Rf]表示运动平台阻尼矩阵，[Kf]表示运动平台刚度矩阵，Fhst表示运动平台静水恢复力，Fmoor表示运动平台系泊力，Fhydro表示运动平台受到的水动力，Faero表示风机模型受到的气动力。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种海上漂浮式风机波浪环境模拟平台装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、装置启动，当要求解运动平台的受力情况时，进入步骤2，当要求解运动平台的位姿状态时，进入步骤4；
步骤2、输入运动平台位姿的运动轨迹，运动控制***将运动轨迹传输给数据处理模块，数据处理模块通过运动学方程将运动轨迹处理为各支链的实际运动量，并转换为成数字信号；
步骤3、运动控制***通过通信模块将数字信号传输到空间六自由度并联机构，控制各支链的驱动装置工作，使运动平台按输入的位姿运动轨迹运动，然后进入步骤6；
步骤4、输入运动平台的受力数据，运动控制***将受力数据传输给数据处理模块，数据处理模块通过运动学方程将受力数据处理为各支链的实际运动量，并转换为成数字信号；
步骤5、运动控制***通过通信模块将数字信号传输到空间六自由度并联机构，控制各支链的驱动装置工作，使运动平台按达到输入的受力数据对应的位姿运动；
步骤6、数据采集模块采集运动平台的位姿及受力数据并传输给运动控制***进行校验，完成闭环控制。
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