风电叶片两点疲劳试验系统激振器加载控制

风电叶片寿命直接影响风力发电成本，而叶片 的使用寿命很大程度上取决于其抗疲劳性能，因此 风电叶片的疲劳加载试验至关重要。在 国 内 风 电 叶片疲劳加载试验主要采用单激振器，用于对疲劳 安全系数较小的危险区域进行针对性测试。随 着 风电叶片规模变大，使用单套加载装置所产生的激 振力不足以驱动大型叶片且试验精度较低，因此多 激振器加 载 形 式 应 运 而 生。目 前，丹 麦 LM公 司、美 国NREL和荷兰 ＷＭＣ等对多轴加载和多点加载的方法进行了 研究，并对风电叶片进行了疲劳试验．多加载源系统 振动过程存在能量传递，多加载源与风电叶片构成 了一个复杂的非线性机电耦合系统，而机电耦合作 用影响控制效果 ．同步控制是实现激振联动的有 效方式之一，在实际应用中激振频率工作在共振情 况下，同时各加载点间存在较强的机电耦合作用，从 而影响同步 控 制 的 效 果。为 了 提 高 了 控 制 系 统 的 自适应性和鲁棒性，众多学者提出了若干控制方法 应用于风电叶片疲劳试验．文献［７］中提出了一套风 轮叶片疲劳试验线性控制系统，将非线性叶片振动 模型通过输出振幅的简化等效为线性模型，使叶片 以给定的幅值 振 动．廖 高 华 等［８］设 计 了 大 型 风 电 叶 片加载试验，并建立了模糊控制系统，试验结果表明 该系统应用于叶片加载试验具有良好的控制精度． 中采用并联交叉耦合架构，设计了滑模变结 构跟随误差同步控制算法，并将该控制算法应用于 激振试验．文献［１０］中论述了两轴共振疲劳加载系 统的基本结构和工作原理，设计了一套针对加载源的转速差、相位差及叶片振幅测量方案，并制定了相 应的控制策略． 上述研究主要基于偏心块驱动或液压驱动的加 载模式，并且激振器控制策略主要采用交叉耦合控 制策略和偏差耦合控制策略．然而，在受控激振器数 量较多时，这些策略的控制结构也更加复杂，而且补 偿规律也难以确定．因此，本文基于电驱动惯性式激 振装置，构建了风电叶片两点疲劳加载测试系统．提 出虚拟主令同步控制算法，以比例－积分－微分（ＰＩＤ） 算法设计误差补偿器，试验验证耦合下虚拟主 令同步控制算法的有效性．虚拟主令同步控制算法 基于无模型的控制方式，能降低系统控制结构的复 杂程度并提高鲁棒性。

１ 叶片两点疲劳加载试验系统构建 

系统由电驱 动 惯 性 式 疲 劳 加 载 装 置、个 人 计 算 机（ＰＣ）人 机 软 件、就 地 控 制 柜、激光测距仪及应变 仪等构成．叶片根部固定在加载基座上，两点电驱动 惯性式疲劳加载装置通过木芯及夹具安装于叶片展 向不同位置，装置距离根部分别为１６ｍ 和３２ｍ．两 点疲劳加载试验系统如图１所示．系统测控模块的 上位机采用 Ｌａｂｖｉｅｗ 设计人机界面环境，以实现 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 机通信以及同步控制激振器．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．采用２４组应变片，测量以下位置：叶 根及叶根过渡段、剖面变化较大处，材料或厚度变化 处，内部接合部、加强筋和梁。在叶片展向不同位置上设置配重来调整载荷分 布，得到各剖面所需的载荷．根据叶片特征参数建立模型，对载荷 进 行 匹 配，并设计弯矩分布校验算法． 对配重的质量和数量进行优化并校验，得到沿叶片 展向的弯矩分布误差小于７％，满足实际工作时弯矩分布。

２ 同步控制策略 

为了消除振 动 耦 合 现 象，需 要 设 计 一 种 同 步 控 制策略以实现对激振系统的同步控制，从而提高疲 劳试验精度．根据运动控制器自身函数库，引入交叉耦合同步结构，设计了虚拟主令相邻耦合同步器．同 步控制策略中，先模拟电子虚拟轴，使系统中每个电 机都接受同一指令的信号，然后将相邻偏差耦合引 入控制器，用同步及跟随误差描述系统同步性 能，同步控制算法使跟随误差趋于零。

３ 同步控制算法及稳定性 

控制系统整体 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的补偿．假设电动 缸参数相同，由交流电机磁场定向控制理论可知，