风电叶片两点并激疲劳加载系统协同控制研究

风电机组叶片寿命直接影响风力发电成本，疲 劳损伤是风电叶片主要的失效形式，而风电叶片进 行疲劳性能测试是一种可靠且有效的检测方法。 随着风电机组的容量增加，叶片规模越来越大，使 用单套加载设备激振加载，会存在疲劳寿命检测结 果失真或驱动力不足等问题；新形势下的单轴多点 加载形式应运而生，采用多套设备在不同点进行并 激加载，可加大激振力促使叶片和设备产生共振， 同时提高疲劳试验、节省能量 。多加载源系统振 动过程中存在能量传递，构成了一个复杂的非线性 机电耦合系统，而机电耦合影响控制效果 。针对 振动系统多加载源同步问题的研究，已逐步从控制 同步领域进一步向前延伸，发展到振动同步与控制 同步相结合的复合同步阶段 。众多学者提出若干 控制方法应用于风电叶片试验，文献提出一套 风电叶片疲劳试验线性控制系统，将非线性叶片振 动模型通过输出的振幅简化等效为线性模型，使得 叶片实现以给定的幅值振动。文献研发一种风 电叶片疲劳加载系统，采用模糊 PID 进行振幅控 制，开展风力机叶片全尺寸疲劳试验，完成频率搜 索及载荷谱加载测试过程。文献设计大型风 力机叶片加载系统，建立模糊控制系统，试验验证算法应用于叶片加载试验具有良好的控制精度。 文献［10］设计一套针对两轴共振疲劳加载源的转 速差、相位差及风电叶片振幅测量方案，并制定相 应的控制策略。 本文构建风电叶片电驱动两点惯性疲劳加载 测试平台，提出虚拟主令耦合同步控制策略，以滑 模变结构控制算法设计误差补偿器，从理论上验证 其渐近稳定性，并建立模型数值仿真其有效性。风 电叶片进行激振试验表明，系统控制效果较好，可 减小耦合作用的固有相位差，并能较好地维持同步 状态。

1 叶片两点并激疲劳加载系统

叶片根部固定在加载基座上，2 台电驱动疲劳 加载惯性激振器通过木芯及夹具安装于叶片上，激 振装备安装距离根部距离分别为 16 和 24 m，两点 位置的激振器可同时给叶片提供交变激振力。在 叶片展向不同位置上设置配重来调整载荷分布，得 到各剖面位置所需的载荷。因此，建立仿真模型对 载荷匹配优化，并校验配重块的质量和数量，得到 沿叶片展向的弯矩分布误差小于 7%。两点疲劳加 载系统参数采用表 1 中的数据配置，疲劳试验系统 如图 1 所示。

两点加载系统的动力源为激振器，激振器的振 子作往复简谐运动，产生惯性力驱动叶片振动，电 驱动惯性式激振器如图 2 所示。

系统测控模块上位机采用 Labview 设计人机 界面环境，实现参数设置与曲线显示、控制器的 数据驱动与存储、激光测距仪的数据采集以及与 各模块的通信。下位机（就地控制柜）实现叶片 共振频率搜索与跟踪、并与上位机通信以及电机 同步驱动控制。试验过程中对频率、应变、位移 等进行监控，叶片位移检测采用 LDS30 系列激光 测 距 仪 ，基 于 相 位 法 设 计 ，加 入 桥 接 装 置 接 口 RS485 并将信号放大隔离。采用 24 组应变片，在 叶片两面各安装 12 组，测量位置：叶根及叶根过 渡段，剖面变化较大处，材料或厚度变化处，接 头、加强筋和梁。

2 协同控制策略研究

对疲劳并激加载中的同步问题，根据运动控制 器自身函数库，引入交叉耦合同步结构，设计虚拟 主令相邻耦合同步器。控制算法中模拟电子虚拟 轴，系统中每个电机都接受同一指令的信号，将相 邻偏差耦合引入控制器，用同步及跟随误差描述系 统同步性能，控制算法使跟随误差趋于零，控制策 略如图 3 所示。

3 位移滑模控制器设计

设计基于滑模变结构伺服控制系统，其整体结 构如图 4 所示。控制器以激振器的跟踪误差作为 输入，完成振子位移到电机转角的参数转换，以及 对电机转角指令补偿。采用正弦位置给定，对 PID 同步控制器和 SMC同步控制器的跟踪性能进行仿真实验，结果如图 6 所示，其中黑色实线为正弦位置给定。从仿真实验 结果可明显看出，所提出的控制方法跟踪效果好， 鲁棒性强，PID 同步控制器在参数或负载转矩变化 时出现波动，但很快就能调整过来，滑模耦合同步 控制器在参数或负载转矩变化时基本不变，对扰动 具有不变性，鲁棒性果比较好。

4 试验及分析

两 点 加 载 控 制 试 验 对 象 为 1.5 MW 风 电 叶 片，设定同频和异频驱动频率 2 种情况进行加 载，验证所提出的算法对两点加载系统的控制效 果。试验环境温度为 25 ℃、湿度 50%，激光测距 仪分辨率 0.1 mm/测距 30 m。由于共振时电机轴 受比较大的惯性转矩作用，激振器的频率都均向共 振点方向趋近，在整个频率区域内都存在机电耦 合作用。图 7 为在两激振器频率为 7.85 rad/s 时 测量得到的激振器振子位移变化与相位差曲线， 可看出在近共振时，控制同步下的相位差波动较 小，其值约 ± 2°。

5 结 论

1）为了提高大型风电叶片疲劳试验的驱动能 力、缩短测试周期，模块化设计疲劳加载激振器，优 化匹配叶片加载系统试验载荷，构建 MW 级风电叶 片两点电驱动惯性式疲劳试验系统。 2）风电叶片两激振器加载过程中耦合效应，影 响着两激振器的同步性，提出虚拟主令耦合同步控 制策略，以滑模变结构控制算法设计误差补偿器， 并对算法的稳定收敛性进行分析，仿真验证算法有 效性。 3）将设计的控制算法对不同工况进行性能测 试，试验结果表明，两激振器均能快速跟随并保持， 算法具有良好的控制同步效果，并激加载时叶片振 幅稳定，误差在设定范围之内，保证了风电叶片疲 劳试验的有效顺利进行。