CN116011142A - 高空风力发电装置的动力学建模方法及建模装置 - Google Patents

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CN116011142A CN202310004938.XA CN202310004938A CN116011142A CN 116011142 A CN116011142 A CN 116011142A CN 202310004938 A CN202310004938 A CN 202310004938A CN 116011142 A CN116011142 A CN 116011142A
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Abstract

本发明实施例涉及风力发电技术领域，特别涉及一种高空风力发电装置的动力学建模方法及建模装置。方法包括：基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立空中伞梯***的多刚体***模型；基于多刚体***模型，建立空中伞梯***的运动学方程，以得到空中伞梯***中每一个节点的运动状态；基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定空中伞梯***中每一个节点的受力情况；基于Kane方法和空中伞梯***中每一个节点的受力情况，确定空中伞梯***的动力学模型。本方案可以得到高空风力发电装置的空中伞梯***准确的动力学模型。

Description

高空风力发电装置的动力学建模方法及建模装置
技术领域
本发明实施例涉及风力发电技术领域，特别涉及一种高空风力发电装置的动力学建模方法及建模装置。
背景技术
风能作为一种可再生的清洁能源，在传统化石能源日渐枯竭的当下正逐渐受到人们的重视。随着各国工业化的推进，人们对电能的需求也日渐增大，风力发电也和光电、水电等被列入清洁能源发电的样例。
现有的高空风力发电装置由地面机械***和空中伞梯***组成，相比于利用低空风能发电的风力发电机组，高空风力发电装置具有发电量大、发电更稳定等优势。然而，目前却没有针对高空风力发电装置的动力学建模方法，这使得人们无法对高空风力发电装置进行仿真计算，从而会影响对高空风力发电装置的姿态控制，以及对高空风能的利用率。
因此，亟需一种高空风力发电装置的动力学建模方法。
发明内容
为了解决目前还没有针对高空风力发电装置的动力学建模方法的问题，本发明实施例提供了一种高空风力发电装置的动力学建模方法及建模装置。
第一方面，本发明实施例提供了一种高空风力发电装置的动力学建模方法，包括：
基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立所述空中伞梯***的多刚体***模型；
基于所述多刚体***模型，建立所述空中伞梯***的运动学方程，以得到所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态；
基于空气动力学的经验公式和所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况；
基于Kane方法和所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况，确定所述空中伞梯***的动力学模型。
第二方面，本发明实施例还提供了一种高空风力发电装置的动力学建模装置，包括：
***模型构建单元，用于基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立所述空中伞梯***的多刚体***模型；
运动状态计算单元，用于基于所述多刚体***模型，建立所述空中伞梯***的运动学方程，以得到所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态；
受力分析单元，用于基于空气动力学的经验公式和所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况；
模型确定单元，用于基于Kane方法和所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况，确定所述空中伞梯***的动力学模型。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本说明书任一实施例所述的方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行本说明书任一实施例所述的方法。
本发明实施例提供了一种高空风力发电装置的动力学建模方法及建模装置，首先，基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立空中伞梯***的多刚体***模型；然后，基于多刚体***模型，建立空中伞梯***的运动学方程，以此来推导出空中伞梯***中每一个节点的运动状态；接着，基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定空中伞梯***中每一个节点的受力情况；最后，基于Kane方法和空中伞梯***中每一个节点的受力情况，来确定出空中伞梯***的动力学模型，以此来实现对高空风力发电装置的动力学建模。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种高空风力发电装置的动力学建模方法流程图；
图2是本发明一实施例提供的一种空中伞梯***的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种多刚体***模型的示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种多刚体***模型用广义坐标表示的示意图；
图5是本发明一实施例提供的一种动力伞布设状态的近似示意图；
图6是本发明一实施例提供的一种动力伞受力分析示意图；
图7是本发明一实施例提供的一种动力伞受力方向求解示意图；
图8是本发明一实施例提供的一种计算设备的硬件架构图；
图9是本发明一实施例提供的一种高空风力发电装置的动力学建模装置结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如前所述，目前已有的一种高空风力发电装置由地面机械***和空中伞梯***组成，其中，空中伞梯***主要由系留气球、主缆绳和动力伞组组成。如图2所示，为空中伞梯***的结构示意图。图中，主缆绳的一端连接地面机械***，另一端被系留气球牵引着，以此来使主缆绳保持滞空，在主缆绳上安装有保持一定间隔的动力伞以提供额外的风力，通过调整动力伞的有效迎风面积能够改变***整体的受力，配合固定在地面上的卷扬机对主缆绳进行收放达到使空中伞梯***做功产生电能的目的。可以理解，每个动力伞中央有孔洞，以使主缆绳能从伞面穿过。然而，目前却没有针对高空风力发电装置的动力学建模方法。
为了解决上述技术问题，发明人可以考虑基于有限段法，将空中伞梯***的主缆绳划分为若干个绳段，以得到可以作为每个绳段的质点的若干个节点，以此来建立空中伞梯***的多刚体***模型；那么，可以基于多刚体***模型，建立空中伞梯***的运动学方程，然后，通过空气动力学的经验公式分析多刚体***模型中各个节点的受力情况，并且采用Kane方法对多刚体***模型进行动力学建模，可以得到空中伞梯***较为准确的动力学模型。
下面描述以上构思的具体实现方式。
请参考图1，本发明实施例提供了一种高空风力发电装置的动力学建模方法，该方法包括：
步骤100：基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立空中伞梯***的多刚体***模型；
步骤102：基于多刚体***模型，建立空中伞梯***的运动学方程，以得到空中伞梯***中每一个节点的运动状态；
步骤104：基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定空中伞梯***中每一个节点的受力情况；
步骤106：基于Kane方法和空中伞梯***中每一个节点的受力情况，确定空中伞梯***的动力学模型。
本发明实施例中，首先，基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立空中伞梯***的多刚体***模型；然后，基于多刚体***模型，建立空中伞梯***的运动学方程，以此来推导出空中伞梯***中每一个节点的运动状态；接着，基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定空中伞梯***中每一个节点的受力情况；最后，基于Kane方法和空中伞梯***中每一个节点的受力情况，来确定出空中伞梯***的动力学模型，以此来实现对高空风力发电装置的动力学建模。
下面描述图1所示的各个步骤的执行方式。
针对步骤100：
在一些实施方式中，步骤100可以包括如下步骤S1-S3：
步骤S1，基于有限段法，将空中伞梯***的主缆绳划分为若干个绳段，以将每一个绳段的端点作为节点；
步骤S2，确定各相邻两节点之间的间距和每一个节点的质量；其中，每一个节点的质量包括该节点与前一节点之间的绳段质量以及该节点与前一节点之间绳段上安装的动力伞和系留气球的质量；
步骤S3，以每一个节点为坐标原点，分别构造与每一个节点对应的三维坐标系，以建立空中伞梯***的多刚体***模型；其中，三维坐标系均互相平行。
在本实施例中，在步骤S1中，将空中伞梯***的主缆绳考虑为是由若干个绳段通过节点串联组成的开链式多刚体***模型，在节点数充分多的前提下各节点的位置分布能够充分刻画主缆绳的形状。
在步骤S2中，将主缆绳自身的质量均匀分布在各个节点上，主缆绳上安装的各动力伞、系留气球则看作是对对应位置的节点附加的质量，并且会为对应节点带来额外的受力。
举例来说，结合图2和图3，将主缆绳的地面升空点作为节点O0，则节点O1的质量为节点O1与节点O0之间的绳段质量和节点O1与节点O0之间的绳段上安装的动力伞的质量，以此来确定空中伞梯***的每一个节点的质量mi。并且，还需要确定各相邻两节点之间的间距li，可以理解，li代表节点Oi与节点Oi-1之间的绳段长度。
在步骤S3中，如图2所示，假定已知的风速为水平方向上的恒定向量W0，以主缆绳与卷扬机的连接点，即节点O0作为坐标原点建立坐标系，W0正方向为X轴正方向，竖直向上为Z轴正方向，构造右手直角坐标系O0-XYZ，称为地面坐标系。然后，以除节点O0之外的每一个节点为坐标原点，分别建立与地面坐标系O0-X0Y0Z0平行的三维坐标系O1-X1Y1Z1,...On-XnYnZn。
需要说明的是，每个绳段上可能安装有动力伞，也可能没有安装动力伞，且动力伞可能位于节点上，也可能位于两节点之间，需要根据空中伞梯***的实际情况来划分绳段，故在此不对划分方法进行具体限定。
在一些实施方式中，在步骤“以每一个节点为坐标原点，分别构造与每一个节点对应的三维坐标系”之后，在步骤“建立空中伞梯***的多刚体***模型”之前，还包括：构建每一个节点在前一个节点对应的三维坐标系中的广义坐标。
在本实施例中，如图3和图4所示，构建每一个节点在前一个节点对应的三维坐标系中的广义坐标，即θ1,φ1,...θn,φn。其中，θi为绳段
Figure BDA0004035969420000061
与三维坐标系Oi-1-Xi-1Yi-1Zi-1中Zi-1轴的夹角，φi为绳段
Figure BDA0004035969420000062
在水平面Xi-1Oi-1Yi-1投影与三维坐标系Oi-1-Xi-1Yi-1Zi-1中Xi-1轴的夹角。本实施例，使用θ1,φ1,...θn,φn作为描述开链式多刚体***模型中各节点的广义坐标。
针对步骤102：
在一些实施方式中，步骤102可以包括：
基于每一个节点的广义坐标，确定每一个节点对应的旋转矩阵；
基于每一个节点的广义坐标和对应的旋转矩阵，建立空中伞梯***的运动学方程；其中，运动学方程用以表征每一个节点的位置、速度和加速度与前一节点的位置、速度和加速度之间的递推关系；
基于空中伞梯***的运动学方程，得到空中伞梯***中每一个节点的运动状态。
在本实施例中，旋转矩阵的表达式为：
Figure BDA0004035969420000063
其中，E(θi,φi)代表节点Oi的旋转矩阵，θi和φi代表节点Oi的广义坐标。故而，可以确定每一个节点对应的旋转矩阵。
接着，基于每一个节点的广义坐标和对应的旋转矩阵，建立空中伞梯***的运动学方程，即每一个节点的位置、速度和加速度与前一节点的位置、速度和加速度之间的递推关系。
本实施例的运动学方程如下所示：
Figure BDA0004035969420000064
Figure BDA0004035969420000071
Figure BDA0004035969420000072
其中，[xi yi zi]T代表节点Oi的位置向量，
Figure BDA0004035969420000073
代表节点Oi的速度向量，
Figure BDA0004035969420000074
代表节点Oi的加速度向量，i为节点的编号，i∈[0,n]，n为节点的最大编号，E(θi,φi)代表节点Oi的旋转矩阵，
Figure BDA0004035969420000075
代表节点Oi+1广义坐标θi+1的一阶导数，
Figure BDA0004035969420000076
代表节点Oi+1广义坐标
Figure BDA0004035969420000077
的二阶导数。
需要说明的是，各节点位置的向量[xi yi zi]T及其各阶导数均表示在地面坐标系O-XYZ下。
在本实施例中，由于初始状态下节点O0的位置向量、速度向量和加速度向量均为0，即：
Figure BDA0004035969420000078
将该节点O0的位置向量、速度向量和加速度向量代入上述的运动学方程中，就可以递推得到多刚体***模型各节点的位置、速度和加速度，即空中伞梯***中每一个节点的运动状态。
针对步骤104：
在一些实施方式中，步骤104可以包括步骤B1-B3：
步骤B1，基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中每一个动力伞所处的节点的运动状态，确定每一个动力伞所受的总气动力。
在一些实施方式中，步骤B1可以包括：
针对每一个动力伞，均执行：
基于当前动力伞所处的节点的运动状态，确定当前动力伞的相对风速；
基于当前动力伞的相对风速，确定当前动力伞对风的攻角、当前动力伞所受的气动阻力方向向量和气动升力方向向量；
基于空气动力学的经验公式、当前动力伞的相对风速、当前动力伞对风的攻角、当前动力伞所受的气动阻力方向向量和气动升力方向向量，确定当前动力伞所受的总气动力。
在本实施例中，假定当前动力伞固定在节点Oi处，如图5和图6所示。当当前动力伞在风速向量W0中运动时，当前动力伞具有相对风速We。由于根据步骤102已知了节点Oi的运动状态，那么，可以确定在地面坐标系O-XYZ下节点Oi的速度向量
Figure BDA0004035969420000081
则当前动力伞的相对风速We为风速向量W0与节点Oi的速度向量Wi之差，即：
We＝W0-Wi
而且，动力伞在工作过程中，其有效迎风面近似为圆形，可以通过改变动力伞四周的伞绳长度来调整当前动力伞的有效迎风面积，并且当前动力伞的有效迎风面与绳段
Figure BDA0004035969420000082
保持垂直，如图5所示。因此，当前动力伞的有效迎风面的单位法向量为：
Figure BDA0004035969420000083
其中，p为当前动力伞的有效迎风面的单位法向量，也称作伞的轴线方向向量。
因此，根据当前动力伞的相对风速We和当前动力伞的有效迎风面的单位法向量，可以通过如下公式计算当前动力伞对风的攻角：
Figure BDA0004035969420000084
其中，α为当前动力伞对风的攻角，即相对风速We与当前动力伞的轴线方向的夹角。
如图6所示，当前动力伞应当受到平行于We方向的气动阻力与垂直于We方向的气动升力。记当前动力伞所受气动阻力方向向量为xw，动力伞所受气动升力方向向量为zw，则二者应具备如图7中所示的以下性质：
(1)在当前动力伞有效迎风面为对称形状时，当前动力伞所受的气动升力与气动阻力均作用在伞的对称中心，即伞的有效迎风面与轴线的交点处；
(2)气动阻力方向向量xw的方向即为相对风速We的方向；
(3)当前动力伞的有效迎风面沿相对风速We及其在有效迎风面上的投影We'＝We-(We·p)p可以构成的投影面S，而当前动力伞沿投影面S镜像对称，由此可得气动升力方向向量zw应在投影面S内。
(4)气动阻力方向向量xw与气动升力方向向量zw相互垂直。
那么，根据以上性质，以当前动力伞的对称中心为原点，xw和zw分别为X轴、Z轴构造右手坐标系Oi-XwYwZw，如图7所示的坐标各轴，即气动阻力方向向量xw与气动升力方向向量zw的表达式如下所示：
Figure BDA0004035969420000091
Figure BDA0004035969420000092
zw＝xw×yw
其中，xw和zw分别为当前动力伞的气动阻力方向向量和气动升力方向向量，yw为当前动力伞y轴的方向向量，We为当前动力伞的相对风速，We'为当前动力伞的相对风速在有效迎风面上的投影向量。
那么，根据空气动力学的经验公式，当前动力伞所受的气动阻力、气动升力和总气动力可以通过如下公式计算：
Figure BDA0004035969420000093
Figure BDA0004035969420000094
Figure BDA0004035969420000095
其中，ρ为空气密度，A为当前动力伞的有效迎风面积，Fd、Fl和Faer分别为当前动力伞所受的气动阻力、气动升力和总气动力，We为当前动力伞的相对风速，xw为气动阻力方向向量，zw为气动升力方向向量，α为当前动力伞对风的攻角，Cd(α)和Cl(α)分别为当前动力伞的气动阻力系数和气动升力系数，且气动阻力系数和气动升力系数均为仅与攻角α相关的函数。
因此，通过步骤B1的上述公式，可以确定出每一个动力伞所受的总气动力。
步骤B2，基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中系留气球所处的节点的运动状态，确定系留气球所受的总气动力。
在本实施例中，系留气球为球形，则认为系留气球只受到相对风速方向We的气动阻力，不受气动升力。计算其所受总气动力时，将计算总气动力的经验公式改写为如下形式：
Figure BDA0004035969420000101
步骤B3，基于每一个节点的质量、每一个节点所受的总气动力以及每一个节点所受的浮力，确定每一个节点的受力情况。
本实施例中，只有系留气球会受到浮力，可以根据如下公式计算浮力：
Ffloat＝-ρVg
其中，Ffloat为系留气球所受到的浮力，ρ为空气密度，V为系留气球的体积，g为重力加速度。
由前可知，绳段所受的外力为重力；动力伞所受的外力为重力、总气动力(气动阻力和气动升力)；系留气球所受的外力为重力、总气动力(气动阻力)和浮力。根据每一个节点对应的绳段上所安装的物体类别，确定每个节点的受力情况。举例来说，当某一节点对应的绳段未安装动力伞和系留气球，那么该节点仅受绳段重力；当某一节点对应的绳段安装有一个动力伞，那么该节点受绳段重力、动力伞重力和动力伞的总气动力。
因此，基于每一个节点的质量、每一个节点所受的总气动力以及每一个节点所受的浮力，可以确定空中伞梯***中每一个节点的受力情况。
针对步骤106：
在一些实施方式中，基于Kane方法和空中伞梯***中每一个节点的受力情况，确定空中伞梯***的动力学模型，包括：
基于每一个节点的受力情况，确定作用在每一个节点的广义坐标下的广义外力与广义惯性力；
基于Kane方法和每一个节点对应的广义外力与广义惯性力，确定Kane动力学方程；
基于Kane动力学方程，确定空中伞梯***的动力学模型。
在本实施例中，采用Kane方法对步骤100中描述的多刚体***模型进行建模，对于任一节点Oj而言，其Kane动力学方程如下公式(1)所示：
Figure BDA0004035969420000111
Kane动力学方程表示作用在多刚体***模型的任一广义坐标θj,φj上的广义外力与广义惯性力之和为0。
其中，广义外力与广义惯性力可以根据如下公式(2)进行计算：
Figure BDA0004035969420000112
其中，
Figure BDA0004035969420000113
表示作用在节点Oj的广义坐标θj角下的广义外力，Fθj表示作用在节点Oj的广义坐标θj角下的广义惯性力，
Figure BDA0004035969420000114
表示作用在节点Oj的广义坐标φj角下的广义外力，Fφj表示作用在节点Oj的广义坐标φj角下的广义惯性力，Fext,i为步骤104确定的节点Oi所受的气动力、重力和浮力等在内的外力，ai为节点Oi的加速度，mi为节点Oi的质量，n为节点的最大编号，vi为节点Oi的速度。
可以根据如下公式(3)对速度求偏导：
Figure BDA0004035969420000115
根据公式(3)进行类推，可得：
Figure BDA0004035969420000121
Figure BDA0004035969420000122
Figure BDA0004035969420000123
为了简化公式，记
E(θj,φj)TE(θk,φk)＝R(j,k),
Figure BDA0004035969420000124
将公式(2)(4)(5)代入Kane动力学方程公式(1)中，并化简，分别可得：
Figure BDA0004035969420000125
Figure BDA0004035969420000126
在公式(6)和(7)中，l代表绳段长度，θ和φ为节点的广义坐标，Fext,i,x、Fext,i,y和Fext,i,z分别代表节点Oi在Xi-1轴方向上、Yi-1轴方向上和Zi-1轴方向上所受的外力。
将公式(6)和(7)写作封闭形式，可得到空中伞梯***的动力学模型：
Figure BDA0004035969420000127
其中，
Figure BDA0004035969420000131
Figure BDA0004035969420000132
Figure BDA0004035969420000133
Figure BDA0004035969420000134
Figure BDA0004035969420000135
综上，基于每一个节点的受力情况，可以根据公式(2)-公式(4)确定作用在每一个节点的广义坐标下的广义外力与广义惯性力；然后，基于Kane方法和每一个节点对应的广义外力与广义惯性力，确定Kane动力学方程(公式(6)和(7))；最后，将公式(9)和(10)代入公式(8)中，可以确定空中伞梯***的动力学模型。
如图8、图9所示，本发明实施例提供了一种高空风力发电装置的动力学建模装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。从硬件层面而言，如图8所示，为本发明实施例提供的一种高空风力发电装置的动力学建模装置所在电子设备的一种硬件架构图，除了图8所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的电子设备通常还可以包括其他硬件，如负责处理报文的转发芯片等等。以软件实现为例，如图9所示，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在电子设备的CPU将非易失性存储器中对应的计算机程序读取到内存中运行形成的。
如图9所示，本实施例提供的一种高空风力发电装置的动力学建模装置，包括：
***模型构建单元901，用于基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立空中伞梯***的多刚体***模型；
运动状态计算单元902，用于基于多刚体***模型，建立空中伞梯***的运动学方程，以得到空中伞梯***中每一个节点的运动状态；
受力分析单元903，用于基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定空中伞梯***中每一个节点的受力情况；
模型确定单元904，用于基于Kane方法和空中伞梯***中每一个节点的受力情况，确定空中伞梯***的动力学模型。
在本发明的一个实施例中，***模型构建单元901用于执行：
基于有限段法，将空中伞梯***的主缆绳划分为若干个绳段，以将每一个绳段的端点作为节点；
确定各相邻两节点之间的间距和每一个节点的质量；其中，每一个节点的质量包括该节点与前一节点之间的绳段质量以及该节点与前一节点之间绳段上安装的动力伞和系留气球的质量；
以每一个节点为坐标原点，分别构造与每一个节点对应的三维坐标系，以建立空中伞梯***的多刚体***模型；其中，三维坐标系均互相平行。
在本发明的一个实施例中，***模型构建单元901，在执行以每一个节点为坐标原点，分别构造与每一个节点对应的三维坐标系之后，在执行建立空中伞梯***的多刚体***模型之前，还用于构建每一个节点在前一个节点对应的三维坐标系中的广义坐标。
在本发明的一个实施例中，运动状态计算单元902，用于执行：
基于每一个节点的广义坐标，确定每一个节点对应的旋转矩阵；
基于每一个节点的广义坐标和对应的旋转矩阵，建立空中伞梯***的运动学方程；其中，运动学方程用以表征每一个节点的位置、速度和加速度与前一节点的位置、速度和加速度之间的递推关系；
基于空中伞梯***的运动学方程，得到空中伞梯***中每一个节点的运动状态。
在本发明的一个实施例中，受力分析单元903，用于执行：
基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中每一个动力伞所处的节点的运动状态，确定每一个动力伞所受的总气动力；
基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中系留气球所处的节点的运动状态，确定系留气球所受的总气动力；
基于每一个节点的质量、每一个节点所受的总气动力以及每一个节点所受的浮力，确定每一个节点的受力情况。
在本发明的一个实施例中，受力分析单元903，在执行基于空气动力学的经验公式和空中伞梯***中每一个动力伞所处的节点的运动状态，确定每一个动力伞所受的总气动力时，用于执行：
针对每一个动力伞，均执行：
基于当前动力伞所处的节点的运动状态，确定当前动力伞的相对风速；
基于当前动力伞的相对风速，确定当前动力伞对风的攻角、当前动力伞所受的气动阻力方向向量和气动升力方向向量；
基于空气动力学的经验公式、当前动力伞的相对风速、当前动力伞对风的攻角、当前动力伞所受的气动阻力方向向量和气动升力方向向量，确定当前动力伞所受的总气动力。
在本发明的一个实施例中，模型确定单元904，用于执行：
基于每一个节点的受力情况，确定作用在每一个节点的广义坐标下的广义外力与广义惯性力；
基于Kane方法和每一个节点对应的广义外力与广义惯性力，确定Kane动力学方程；
基于Kane动力学方程，确定空中伞梯***的动力学模型。
可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对一种高空风力发电装置的动力学建模装置的具体限定。在本发明的另一些实施例中，一种高空风力发电装置的动力学建模装置可以包括比图示更多或者更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件、软件或者软件和硬件的组合来实现。
上述装置内的各模块之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本发明任一实施例中的一种高空风力发电装置的动力学建模方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例中的一种高空风力发电装置的动力学建模方法。
具体地，可以提供配有存储介质的***或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该***或者装置的计算机(或CPU或MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。
在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。
用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。
此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作***等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。
此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到***计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展模块中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展模块上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高空风力发电装置的动力学建模方法，其特征在于，包括：
基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立所述空中伞梯***的多刚体***模型；
基于所述多刚体***模型，建立所述空中伞梯***的运动学方程，以得到所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态；
基于空气动力学的经验公式和所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况；
基于Kane方法和所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况，确定所述空中伞梯***的动力学模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立所述空中伞梯***的多刚体***模型，包括：
基于有限段法，将空中伞梯***的主缆绳划分为若干个绳段，以将每一个绳段的端点作为节点；
确定各相邻两节点之间的间距和每一个节点的质量；其中，所述每一个节点的质量包括该节点与前一节点之间的绳段质量以及该节点与前一节点之间绳段上安装的动力伞和系留气球的质量；
以每一个节点为坐标原点，分别构造与每一个节点对应的三维坐标系，以建立所述空中伞梯***的多刚体***模型；其中，所述三维坐标系均互相平行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述以每一个节点为坐标原点，分别构造与每一个节点对应的三维坐标系之后，在所述建立所述空中伞梯***的多刚体***模型之前，还包括：构建每一个节点在前一个节点对应的三维坐标系中的广义坐标。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述多刚体***模型，建立所述空中伞梯***的运动学方程，以得到所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态，包括：
基于每一个节点的广义坐标，确定每一个节点对应的旋转矩阵；
基于每一个节点的广义坐标和对应的所述旋转矩阵，建立所述空中伞梯***的运动学方程；其中，所述运动学方程用以表征每一个节点的位置、速度和加速度与前一节点的位置、速度和加速度之间的递推关系；
基于所述空中伞梯***的运动学方程，得到所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于空气动力学的经验公式和所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况，包括：
基于空气动力学的经验公式和所述空中伞梯***中每一个动力伞所处的节点的运动状态，确定每一个所述动力伞所受的总气动力；
基于空气动力学的经验公式和所述空中伞梯***中系留气球所处的节点的运动状态，确定所述系留气球所受的总气动力；
基于每一个节点的质量、每一个节点所受的总气动力以及每一个节点所受的浮力，确定每一个节点的受力情况。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于空气动力学的经验公式和所述空中伞梯***中每一个动力伞所处的节点的运动状态，确定每一个所述动力伞所受的总气动力，包括：
针对每一个所述动力伞，均执行：
基于当前动力伞所处的节点的运动状态，确定当前动力伞的相对风速；
基于当前动力伞的相对风速，确定当前动力伞对风的攻角、当前动力伞所受的气动阻力方向向量和气动升力方向向量；
基于空气动力学的经验公式、当前动力伞的相对风速、当前动力伞对风的攻角、当前动力伞所受的气动阻力方向向量和气动升力方向向量，确定当前动力伞所受的总气动力。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于Kane方法和所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况，确定所述空中伞梯***的动力学模型，包括：
基于每一个节点的受力情况，确定作用在每一个节点的广义坐标下的广义外力与广义惯性力；
基于Kane方法和每一个节点对应的广义外力与广义惯性力，确定Kane动力学方程；
基于所述Kane动力学方程，确定所述空中伞梯***的动力学模型。
8.一种高空风力发电装置的动力学建模装置，其特征在于，包括：
***模型构建单元，用于基于有限段法，对空中伞梯***的主缆绳进行绳段划分得到若干个节点，以建立所述空中伞梯***的多刚体***模型；
运动状态计算单元，用于基于所述多刚体***模型，建立所述空中伞梯***的运动学方程，以得到所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态；
受力分析单元，用于基于空气动力学的经验公式和所述空中伞梯***中每一个节点的运动状态，确定所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况；
模型确定单元，用于基于Kane方法和所述空中伞梯***中每一个节点的受力情况，确定所述空中伞梯***的动力学模型。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行权利要求1-7中任一项所述的方法。
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