風電葉片兩點疲勞試驗系統激振器加載控制

來源：發布時間：2025-11-28

風電葉片壽命直接影響風力發電成本，而葉片的使用壽命很大程度上取決于其抗疲勞性能，因此風電葉片的疲勞加載試驗至關重要。在國內風電葉片疲勞加載試驗主要采用單激振器，用于對疲勞安全系數較小的危險區域進行針對性測試。隨著風電葉片規模變大，使用單套加載裝置所產生的激振力不足以驅動大型葉片且試驗精度較低，因此多激振器加載形式應運而生。目前，丹麥 LM公司、美國NREL和荷蘭ＷＭＣ等對多軸加載和多點加載的方法進行了研究，并對風電葉片進行了疲勞試驗．多加載源系統振動過程存在能量傳遞，多加載源與風電葉片構成了一個復雜的非線性機電耦合系統，而機電耦合作用影響控制效果．同步控制是實現激振聯動的有效方式之一，在實際應用中激振頻率工作在共振情況下，同時各加載點間存在較強的機電耦合作用，從而影響同步控制的效果。為了提高了控制系統的自適應性和魯棒性，眾多學者提出了若干控制方法應用于風電葉片疲勞試驗．文獻［７］中提出了一套風輪葉片疲勞試驗線性控制系統，將非線性葉片振動模型通過輸出振幅的簡化等效為線性模型，使葉片以給定的幅值振動．廖高華等［８］設計了大型風電葉片加載試驗，并建立了模糊控制系統，試驗結果表明該系統應用于葉片加載試驗具有良好的控制精度．中采用并聯交叉耦合架構，設計了滑模變結構跟隨誤差同步控制算法，并將該控制算法應用于激振試驗．文獻［１０］中論述了兩軸共振疲勞加載系統的基本結構和工作原理，設計了一套針對加載源的轉速差、相位差及葉片振幅測量方案，并制定了相應的控制策略．上述研究主要基于偏心塊驅動或液壓驅動的加載模式，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，在受控激振器數量較多時，這些策略的控制結構也更加復雜，而且補償規律也難以確定．因此，本文基于電驅動慣性式激振裝置，構建了風電葉片兩點疲勞加載測試系統．提出虛擬主令同步控制算法，以比例－積分－微分（ＰＩＤ）算法設計誤差補償器，試驗驗證耦合下虛擬主令同步控制算法的有效性．虛擬主令同步控制算法基于無模型的控制方式，能降低系統控制結構的復雜程度并提高魯棒性。

１葉片兩點疲勞加載試驗系統構建

系統由電驅動慣性式疲勞加載裝置、個人計算機（ＰＣ）人機軟件、就地控制柜、激光測距儀及應變儀等構成．葉片根部固定在加載基座上，兩點電驅動慣性式疲勞加載裝置通過木芯及夾具安裝于葉片展向不同位置，裝置距離根部分別為１６ｍ和３２ｍ．兩點疲勞加載試驗系統如圖１所示．系統測控模塊的上位機采用Ｌａｂｖｉｅｗ設計人機界面環境，以實現參數設置與曲線顯示、控制器的數據驅動與存儲、激光測距儀的數據采集以及與各模塊的通信．下位機（就地控制柜）實現葉片共振頻率搜索與跟蹤，并與上位機通信以及同步控制激振器．試驗過程中對頻率、應變、位移等進行監控，葉片位移檢測采用ＬＤＳ３０系列激光測距儀．采用２４組應變片，測量以下位置：葉根及葉根過渡段、剖面變化較大處，材料或厚度變化處，內部接合部、加強筋和梁。在葉片展向不同位置上設置配重來調整載荷分布，得到各剖面所需的載荷．根據葉片特征參數建立模型，對載荷進行匹配，并設計彎矩分布校驗算法．對配重的質量和數量進行優化并校驗，得到沿葉片展向的彎矩分布誤差小于７％，滿足實際工作時彎矩分布。

２同步控制策略

為了消除振動耦合現象，需要設計一種同步控制策略以實現對激振系統的同步控制，從而提高疲勞試驗精度．根據運動控制器自身函數庫，引入交叉耦合同步結構，設計了虛擬主令相鄰耦合同步器．同步控制策略中，先模擬電子虛擬軸，使系統中每個電機都接受同一指令的信號，然后將相鄰偏差耦合引入控制器，用同步及跟隨誤差描述系統同步性能，同步控制算法使跟隨誤差趨于零。