海上浮式風(fēng)機(jī)混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

劉浩學(xué)，溫斌榮，魏漢迪，汪學(xué)鋒，彭志科，田新亮

（上海交通大學(xué)a.海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同中心；c.機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

0 引 言

海上風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，其中高質(zhì)量的風(fēng)能資源主要集中在深海區(qū)域。當(dāng)水深超過50 m時(shí)，海上浮式風(fēng)機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性［1］。近年來，世界各研究機(jī)構(gòu)和風(fēng)電企業(yè)均加快了對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)的研制。浮式風(fēng)機(jī)同時(shí)經(jīng)受風(fēng)載荷、波浪載荷、流載荷和其他各種載荷的聯(lián)合作用，掌握浮式風(fēng)機(jī)在不同環(huán)境條件下的響應(yīng)情況至關(guān)重要。數(shù)值仿真可以簡(jiǎn)潔、高效地求解浮式風(fēng)機(jī)耦合動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，但其計(jì)算結(jié)果的合理性和有效性仍然需要模型試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證［2］。水池模型試驗(yàn)是研究浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能的重要途徑，然而，開展浮式風(fēng)機(jī)的水池風(fēng)浪聯(lián)合模型試驗(yàn)存在以下困難和缺點(diǎn)：①浮式風(fēng)機(jī)同時(shí)受到較大風(fēng)載荷和波浪載荷的聯(lián)合作用，在水池實(shí)驗(yàn)室難以同時(shí)高質(zhì)量地重現(xiàn)兩種載荷，降低了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；② 進(jìn)行縮尺試驗(yàn)時(shí)，雷諾數(shù)相似和弗勞德數(shù)相似不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，這將帶來動(dòng)力特性的不匹配［3］；③ 隨著對(duì)浮式風(fēng)機(jī)控制策略、發(fā)電功率、葉片工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等研究的深入，需要部署更多的設(shè)備和線纜，然而水池模型試驗(yàn)縮比定律對(duì)風(fēng)機(jī)的重量有著嚴(yán)格的要求［4］；④ 水池試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的物力、財(cái)力，經(jīng)濟(jì)性有待提高。

為克服浮式風(fēng)機(jī)水池試驗(yàn)的局限性，近年來，一種新型的數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)相結(jié)合的混合模型試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［5］，該技術(shù)用物理模型模擬風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)響應(yīng)，用數(shù)值模型計(jì)算浮體的水動(dòng)力響應(yīng)，進(jìn)而將物理模型和數(shù)值仿真通過傳感器、驅(qū)動(dòng)器結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)浮式風(fēng)機(jī)的半物理仿真試驗(yàn)。

Sauder等［6］實(shí)時(shí)采集水池浮式風(fēng)機(jī)浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并將其輸入數(shù)值模型計(jì)算搖蕩風(fēng)機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中對(duì)浮體的作用力，然后通過施力機(jī)構(gòu)對(duì)浮體施加相應(yīng)氣動(dòng)作用力，來模擬風(fēng)浪聯(lián)合作用下浮式風(fēng)機(jī)的浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。Bayati 等［7］采用風(fēng)機(jī)物理模型模擬氣動(dòng)特性，利用力傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)機(jī)對(duì)浮體的作用力，并代入浮體運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，將求解運(yùn)動(dòng)結(jié)果通過六自由度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，研究浮式風(fēng)機(jī)非定常氣動(dòng)特性。Hall等［8］在海工水池采用施力機(jī)構(gòu)將風(fēng)機(jī)氣動(dòng)力作用于浮體，進(jìn)行了縮尺比為1∶50 的混合模型試驗(yàn)，并且對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了公布，討論了試驗(yàn)的精度和延遲情況。

本文開發(fā)了一套海上浮式風(fēng)機(jī)的混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)和設(shè)備，包括風(fēng)機(jī)的物理模型、浮體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值求解程序以及相關(guān)測(cè)量設(shè)備和驅(qū)動(dòng)設(shè)備，并且論證了該系統(tǒng)的可行性，提出了進(jìn)一步的優(yōu)化方法。

1 混合模型試驗(yàn)基本原理

混合模型試驗(yàn)方法的基本思想為：采用物理模型和數(shù)值模型相結(jié)合的方式，進(jìn)行實(shí)時(shí)的載荷測(cè)量、響應(yīng)計(jì)算和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行［9］，將在水池中進(jìn)行的風(fēng)浪流聯(lián)合試驗(yàn)轉(zhuǎn)移到陸地高質(zhì)量風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行，如圖1 所示。如圖1（b）所示，系統(tǒng)主要由三部分組成：①風(fēng)機(jī)物理模型，模擬浮式風(fēng)機(jī)在復(fù)雜環(huán)境作用下的空氣動(dòng)力特性響應(yīng)；②浮體數(shù)值模型，求解浮式平臺(tái)-系泊系統(tǒng)在環(huán)境載荷作用下的水動(dòng)力特性響應(yīng)；③數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)物理空間-數(shù)值空間的數(shù)據(jù)傳輸與浮體等效運(yùn)動(dòng)執(zhí)行。

圖1 浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)對(duì)比示意圖

混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)的具體工作原理見圖1（b）和圖2。將風(fēng)機(jī)物理模型安裝在一臺(tái)6 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，整個(gè)系統(tǒng)置于高質(zhì)量風(fēng)場(chǎng)中，在塔筒底部和6 自由度平臺(tái)之間布置一個(gè)六分力傳感器，以實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)機(jī)對(duì)浮體的作用力。將測(cè)量所得作用力經(jīng)低通濾波、縮尺轉(zhuǎn)換后輸入浮體數(shù)值模型，作為外部激勵(lì)力作用于浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程；在數(shù)值空間求解浮體的6 自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；通過6 自由度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)浮體的運(yùn)動(dòng)模擬；在每一時(shí)間步內(nèi)，不斷采集數(shù)據(jù)、循環(huán)迭代求解、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)海上浮式風(fēng)機(jī)的風(fēng)浪聯(lián)合混合模型試驗(yàn)。

圖2 混合模型試驗(yàn)原理

2 風(fēng)機(jī)物理模型

風(fēng)力機(jī)是浮式風(fēng)機(jī)的主要工作部件，其發(fā)電質(zhì)量與載荷特性關(guān)乎浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可行性［10］。精確還原真實(shí)浮式風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)載荷特性至關(guān)重要。本文以NREL 5 MW 參考風(fēng)機(jī)為原型風(fēng)機(jī)，依據(jù)弗勞德縮尺定律，設(shè)計(jì)、制造了一套縮尺風(fēng)機(jī)模型，縮尺比λ＝1∶50，如圖3 所示。文獻(xiàn)［11］中詳細(xì)介紹了該風(fēng)機(jī)模型的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程。

風(fēng)機(jī)葉片的輪廓參數(shù)參考NREL 5 MW風(fēng)機(jī)葉片的公開數(shù)據(jù)，根據(jù)模型試驗(yàn)和加工工藝的要求對(duì)翼型和葉尖輪廓進(jìn)行了修正處理。選取碳纖維加工中空結(jié)構(gòu)的葉片，在準(zhǔn)確還原葉片翼型形狀及氣動(dòng)性能的同時(shí)，將葉片質(zhì)量及慣量分布嚴(yán)格控制在縮尺定律的要求范圍內(nèi)。

圖3 模型風(fēng)機(jī)總裝配、葉片和塔筒示意圖

為了研究風(fēng)輪與塔筒之間的相互作用，風(fēng)機(jī)塔筒設(shè)計(jì)為圓錐形筒狀結(jié)構(gòu)，以真實(shí)還原大型現(xiàn)代風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的塔筒結(jié)構(gòu)，塔筒頂部與風(fēng)機(jī)的機(jī)艙連接，底部通過六分力傳感器與6 自由度平臺(tái)相連。傳感器、電動(dòng)機(jī)等裝置的電源線、信號(hào)線等線纜從塔筒內(nèi)部穿過，以最大限度地減少線纜對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響和線纜懸掛導(dǎo)致的剛度、阻尼干擾。

機(jī)艙是風(fēng)力機(jī)工作系統(tǒng)的主要承載部件，采用高性能鋁合金加工而成，在保證足夠強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能減小結(jié)構(gòu)重量［12］，見圖4。機(jī)艙上搭載有完整的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，包括變轉(zhuǎn)速控制器、變槳距控制器、偏航控制器，可完整還原大型風(fēng)機(jī)的狀態(tài)控制與環(huán)境響應(yīng)。此外，為監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，模型風(fēng)機(jī)上還搭載有完善的信號(hào)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、氣動(dòng)扭矩、功率輸出、葉片載荷、機(jī)艙負(fù)載等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型風(fēng)機(jī)全方位、多層次的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在傳統(tǒng)的水池試驗(yàn)中，由于弗勞德縮尺定律對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格限制，要布置如此繁多的信號(hào)采集與狀態(tài)監(jiān)測(cè)通道幾無可能。

圖4 模型風(fēng)機(jī)機(jī)艙布置圖

3 浮體數(shù)值模型與驗(yàn)證

3.1 浮體數(shù)值計(jì)算模型

浮式平臺(tái)的水動(dòng)力響應(yīng)在數(shù)值計(jì)算模型中實(shí)現(xiàn)，浮式風(fēng)機(jī)在風(fēng)、浪等環(huán)境載荷作用下，浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為

式中：M為實(shí)尺度浮式風(fēng)機(jī)整體的質(zhì)量矩陣；A∞為振動(dòng)頻率無窮大時(shí)的附加質(zhì)量矩陣；C 為線性黏性阻尼矩陣；K 為剛度矩陣；Fwave為浮體所受到的波浪載荷；Fmoor為浮體受到的錨鏈力；Fwt為風(fēng)機(jī)所受到的氣動(dòng)載荷；為卷積項(xiàng)，描述自由液面的記憶效應(yīng)，即某時(shí)刻流體動(dòng)量的變化會(huì)影響之后流體的運(yùn)動(dòng)；卷積項(xiàng)K（t）為時(shí)延函數(shù)［13］。

時(shí)域計(jì)算的對(duì)象為實(shí)尺度浮體模型。附加質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣以及幅頻響應(yīng)函數(shù)RAO 等水動(dòng)力參數(shù)均由HydroD/Wadam頻域計(jì)算得到。計(jì)算時(shí)忽略風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下空氣對(duì)風(fēng)機(jī)的作用，同時(shí)不考慮系泊系統(tǒng)的作用力，系泊系統(tǒng)的作用由程序施加。采用面元模型基于勢(shì)流理論計(jì)算浮體的水動(dòng)力參數(shù)，將計(jì)算所得參數(shù)的Wamit 文件提前加載于變量空間，利用查表的方式，實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)尺度浮式風(fēng)機(jī)的6 自由度響應(yīng)，提高程序計(jì)算效率。

波浪與浮體之間的相互作用一般考慮到二階速度勢(shì)，作用在浮體上的波浪激勵(lì)力包括一階波浪力和二階波浪力。在本文的水動(dòng)力計(jì)算中，只計(jì)入一階波浪力，二階的波浪力的影響較小予以忽略。此外，由于該試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)值計(jì)算的求解速度要求較高，只考慮一階波浪力降低了計(jì)算的復(fù)雜性，可有效加快計(jì)算速度。一階波浪力根據(jù)提前加載的波浪時(shí)歷文件和水動(dòng)力參數(shù)文件計(jì)算所得。

應(yīng)用懸鏈線模型計(jì)算錨鏈系統(tǒng)的回復(fù)力，考慮錨鏈的水中質(zhì)量、軸向剛度和與海底的摩擦力，忽略錨鏈的彎曲剛度和阻尼。在時(shí)域水動(dòng)力計(jì)算的過程中，根據(jù)各時(shí)間點(diǎn)浮體的位移和導(dǎo)纜孔的位置，計(jì)算相對(duì)于錨點(diǎn)的水平位移和垂直位移，結(jié)合錨鏈參數(shù)通過懸鏈線方程來計(jì)算錨鏈力。

時(shí)域方程中浮式風(fēng)機(jī)塔筒和風(fēng)輪受到的風(fēng)載荷Fwt為實(shí)尺度浮體受到的作用力。本文提出的混合模型試驗(yàn)，為了更加全面地對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，專注風(fēng)機(jī)氣動(dòng)力部分研究，將部署不同的采集和控制設(shè)備，會(huì)帶來重量不相似的問題。為了解決該問題，風(fēng)機(jī)部分的重力和慣性力在浮體時(shí)域方程中予以考慮。Fwt由安裝在塔筒底部六分力傳感器的測(cè)量值經(jīng)過修正所得。

3.2 基于Matlab的數(shù)值求解程序及其驗(yàn)證

根據(jù)時(shí)域水動(dòng)力方程和頻域計(jì)算得到的浮體各項(xiàng)水動(dòng)力參數(shù)、外載荷和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過Matlab 采用四階龍格庫塔法，迭代計(jì)算時(shí)域方程的數(shù)值解，得到浮體的6 自由度響應(yīng)情況［13］。

求解流程如圖5 所示，首先設(shè)置浮體的質(zhì)量、慣性半徑、重心位置等參數(shù)，然后加載錨鏈參數(shù)文件、波浪環(huán)境和水動(dòng)力參數(shù)等進(jìn)行初始化，開始求解計(jì)算，將每一時(shí)間步的外載荷作用于動(dòng)力學(xué)方程，并根據(jù)此時(shí)的位移情況求解出時(shí)間步長結(jié)束后的響應(yīng)情況，由新的位移、速度計(jì)算下一時(shí)間步響應(yīng)，如此循環(huán)往復(fù)，得到時(shí)域的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。求解時(shí)間步長的選擇與計(jì)算機(jī)的性能有關(guān)，時(shí)間步長越小運(yùn)動(dòng)越平滑準(zhǔn)確，但是因采集設(shè)備、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備的限制，時(shí)間步長需要根據(jù)實(shí)際情況取一個(gè)折中的數(shù)值。

圖5 時(shí)域水動(dòng)力方程數(shù)值求解流程

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，以SJTU-S4 浮式風(fēng)機(jī)的自由衰減測(cè)試為例，將數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比。水池模型試驗(yàn)地點(diǎn)為上海交通大學(xué)海洋工程深水池，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樽灾髟O(shè)計(jì)的SJTU-S4 浮式風(fēng)機(jī)，見圖6。該浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)水深100 m，模型縮尺比為1∶50，系泊系統(tǒng)采用3 根錨鏈，錨鏈間夾角為120°。

圖6 SJTU-S4浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)

數(shù)值計(jì)算程序所得浮式風(fēng)機(jī)的6 自由度靜水衰減結(jié)果與水池靜水衰減試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7 所示。由圖可知，開發(fā)的數(shù)值計(jì)算程序能準(zhǔn)確計(jì)算浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況。

圖7 SJTU-S4自由衰減結(jié)果

4 數(shù)據(jù)交互與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)交互與運(yùn)動(dòng)控制

由于風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在現(xiàn)實(shí)物理空間而浮式平臺(tái)作用在虛擬數(shù)值空間，保證物理與數(shù)值空間數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。此外，浮式平臺(tái)在環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通過6 自由度平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)，如何保證運(yùn)動(dòng)平臺(tái)響應(yīng)速度與數(shù)值計(jì)算速度之間的匹配性關(guān)乎系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。為此，本文開發(fā)了一套數(shù)據(jù)交互和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

4.1.1 數(shù)據(jù)交互與處理

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互存在于每一時(shí)間步內(nèi)六分力傳感器—數(shù)值模型—運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間。

六分力傳感器布置于風(fēng)機(jī)塔筒底部與6 自由度平臺(tái)的連接處，實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的作用力，同時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；由于風(fēng)機(jī)的重力和慣性力已經(jīng)在時(shí)域求解程序中考慮（見式（1）），所以需要對(duì)傳感器測(cè)量值Fload進(jìn)行修正，即扣除風(fēng)機(jī)模型的重力和慣性力，記為載荷修正量Fcorr。Fcorr根據(jù)風(fēng)機(jī)的質(zhì)量Mt、剛度Kt和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)q（t）計(jì)算：

將修正后的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)力Fwt根據(jù)縮尺關(guān)系轉(zhuǎn)換為實(shí)尺度氣動(dòng)載荷，同時(shí)考慮由縮尺關(guān)系帶來的時(shí)間尺度的變化，達(dá)到模型尺度的時(shí)歷風(fēng)力與實(shí)尺度時(shí)歷風(fēng)力的匹配，然后傳輸于數(shù)值模型時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程。

在時(shí)域數(shù)值求解得到實(shí)尺度的浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)之后，同樣需要根據(jù)縮尺定律進(jìn)行縮比轉(zhuǎn)化，即將實(shí)尺度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷轉(zhuǎn)化為模型尺度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而通過6 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)。

4.1.2 運(yùn)動(dòng)控制

因存在實(shí)尺度、模型尺度之間時(shí)域數(shù)據(jù)的縮比轉(zhuǎn)換和物理、數(shù)值空間之間時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要明確以下時(shí)間概念：①數(shù)值程序?qū)嵆叨鹊鷷r(shí)間步長Ts1；②數(shù)值程序求解每一時(shí)間步長需要的計(jì)算時(shí)間Ts2；③ 模型尺度時(shí)間步長Tm，即數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的時(shí)間步長，對(duì)應(yīng)采集頻率和響應(yīng)頻率；④ 從數(shù)據(jù)采集到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行到指定位置，除程序計(jì)算時(shí)間以外的硬件設(shè)備傳輸響應(yīng)時(shí)間Td。以上時(shí)間應(yīng)有如下關(guān)系，以保證實(shí)尺度、模型尺度、物理和數(shù)值空間交互的匹配性：

在數(shù)值計(jì)算程序中，每一時(shí)間步長Ts1的計(jì)算時(shí)間Ts2之間存在一定偏差，導(dǎo)致實(shí)際步長T′m＝Ts2+Td不完全等于理論Tm。為保證數(shù)值計(jì)算速度與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度之間的匹配性，需要先判斷T′m與Tm的相對(duì)關(guān)系；如果T′m＜Tm，需要設(shè)置時(shí)間等待來延遲運(yùn)動(dòng)指令的發(fā)送；如果T′m＞Tm，則需要對(duì)時(shí)間差ΔT＝T′m-Tm之后的位姿進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)方法可采用歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)行擬合外推［14-15］，然后將擬合數(shù)據(jù)輸入給運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)擬合數(shù)據(jù)作為下一次數(shù)值迭代的初值。

4.2 浮體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)

模擬浮體運(yùn)動(dòng)的6 自由度平臺(tái)采用Stewart平臺(tái)。Stewart 6 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有剛度大、承載能力強(qiáng)、位置誤差不累計(jì)等特點(diǎn)［16］，可以用來實(shí)時(shí)模擬浮體的運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。該平臺(tái)由6 個(gè)鉸接于地面的伺服電缸及其上部運(yùn)動(dòng)平面構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)平面為一剛性平板，與各電缸頂端鉸接相連?？刂乒裰械慕馑愠绦蚩梢詫⒛繕?biāo)6 自由度姿態(tài)解算為對(duì)應(yīng)的6 根絲桿的伸長量，然后控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)絲桿的不同伸長量，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上平面在空間內(nèi)的3 個(gè)方向線運(yùn)動(dòng)與角運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)固連在其上部的模型風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)6自由度運(yùn)動(dòng)控制，6 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)參數(shù)如下：有效負(fù)載100 kg，垂向行程200 mm，橫向行程±130 mm，縱向行程±130 mm，橫滾范圍±15°，俯仰范圍±15°，扭轉(zhuǎn)范圍±15°，重復(fù)定位精度0.1 mm/0.1°。

圖8 6自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)示意圖

利用測(cè)量精度為0. 01 mm 的激光測(cè)距儀對(duì)Stewart平臺(tái)的運(yùn)行性能進(jìn)行了定位精度測(cè)試，分別選取線位移和角位移測(cè)試結(jié)果展示，如圖9 所示。Stewart平臺(tái)接收數(shù)值模型求解得到的每一時(shí)間步長結(jié)束時(shí)的浮體位移姿態(tài)，并實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)。

圖9 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)性能測(cè)試

4.3 結(jié)果與討論

基于以上物理、數(shù)值模型和數(shù)據(jù)交互與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，搭建了一套海上浮式風(fēng)機(jī)混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)［17］，如圖10 所示。

圖10 浮式風(fēng)機(jī)混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)

由于模型設(shè)計(jì)、制造的難度，及試驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地等的限制，目前對(duì)于浮式風(fēng)機(jī)發(fā)電功率、平臺(tái)振蕩作用下的氣動(dòng)載荷、偏航/變槳控制等方面的模型試驗(yàn)研究較少，該混合模型試驗(yàn)方法提供了一種解決方案。該方法可在質(zhì)量高風(fēng)場(chǎng)如航天風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，精細(xì)化機(jī)艙和葉片模型可精確刻畫氣動(dòng)響應(yīng)特征。由于數(shù)據(jù)交互轉(zhuǎn)化關(guān)系中已消除物理風(fēng)機(jī)模型的重力和慣性力，該方法中物理模型風(fēng)機(jī)的質(zhì)量不受限制，為開展廣泛的風(fēng)機(jī)伺服/結(jié)構(gòu)控制研究提供了途徑。同時(shí)，該方法可在數(shù)值模型中直接更改浮體結(jié)構(gòu)，方便研究不同浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性的影響；此外，脫離海洋工程水池進(jìn)行試驗(yàn)，成本也將大幅下降。

本文方法的實(shí)現(xiàn)依賴于快速且合理準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算程序、快速的信號(hào)處理與高精度的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行，所以要求在保證物理現(xiàn)象的真實(shí)性的同時(shí)，盡可能簡(jiǎn)化模型以加快程序計(jì)算速度。為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度，可將計(jì)算電腦替換為相關(guān)的硬件控制板加快代碼執(zhí)行速度，縮小時(shí)間步長，提高求解精度。

5 結(jié) 語

本文提出了一種海上浮式風(fēng)機(jī)混合模型試驗(yàn)方法，通過物理模型和數(shù)值模型相結(jié)合的方法將傳統(tǒng)的浮式風(fēng)機(jī)水池試驗(yàn)搬移到高質(zhì)量風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行。系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)物理模型、浮體數(shù)值模型、數(shù)據(jù)交互與控制系統(tǒng)構(gòu)成。浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)由數(shù)值計(jì)算模型求解得到，并通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)交互模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)模型與數(shù)值模型之間的運(yùn)動(dòng)、載荷等信息交互。設(shè)計(jì)、開發(fā)了一套浮式風(fēng)機(jī)混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)，初步測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能可靠。對(duì)于該系統(tǒng)在風(fēng)浪聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)性能與驗(yàn)證，將在后續(xù)研究中進(jìn)行分析討論。