海洋大型风力发电机叶片颤振压电智能控制机理研究

海洋风力发电机叶片向大型化、轻量化方向发展，且海上风电场的运行环境比陆地风电场恶劣，大型风力发电机叶片在气动力、弹性力和惯性力的耦合作用下容易产生颤振，颤振交变应力会使叶片萌生疲劳裂纹导致其断裂，如何有效地抑制大型风力发电机叶片颤振是发展现代风力发电机亟待解决的关键问题之一。基于压电材料良好的性能，本项目应用压电驱动器对风力发电机叶片颤振进行控制研究。首先通过风力发电机叶片模型风洞试验和计算结构动力学、计算流体力学理论对大型风力发电机叶片气动弹性进行分析，研究风力发电机叶片发生颤振不稳定现象的机理；然后应用基于压电驱动器的智能控制方法对风力发电机叶片颤振进行抑制研究，并采用粒子群算法等方法对压电智能作动器/传感器进行优化布置；最后通过模型风洞试验验证基于压电驱动器的智能控制方法对风力发电机叶片颤振抑制的有效性。本项目的研究成果可为我国大型风力发电机叶片的开发设计提供理论基础和技术支持。

随着海洋风力发电机向大型化和轻量化方向发展，同时海上风电场的环境比较复杂，因此对风力发电机叶片进行振动控制研究就有重要的工程意义和实用价值。研究过程首先对风发电机翼型及其基本参数进行了确定，然后对风力发电机叶片气动弹性进行了分析；将风力发电机叶片简化成含有集中质量和集中刚度的等直弹性梁力学模型，对其振动特性进行了分析，并进行了实验研究；分别采用LQR、LQG和独立模态空间控制算法设计控制器，对含有集中参数的压电智能梁的振动响应进行了主动控制数值模拟；对比分析了LQR和LQG控制算法的适用性和有效性；探讨了集中质量和集中刚度的位置对悬臂梁整体振动响应量级的影响和对反馈控制效率的影响；采用自适应进化策略和遗传算法对传感器/作动器的优化布置进行研究，最后在实验室对一悬臂结构进行了智能压电控制实验研究。通过本文的研究为风力发电机叶片开发、设计和振动控制提供理论基础和技术支持。