一种波浪能转换装置的最大能量输出控制方法及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种波浪能转换装置的最大能量输出控制方法及系统，方法包括：通过模型预测设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，得到速度序列和坐标位置序列；基于速度和坐标位置序列求解目标函数，得到控制序列；实时计算控制序列中各控制力的补偿值；保存控制序列中前nl个控制力，依次将对应的补偿值分别加到前nl个控制力上，得到补偿后的前nl个控制力，并依次按补偿后的前nl个控制力控制装置，直至达到设定时刻；将设定时刻的装置和波浪状态输入模型中，预测nl控制力后设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，更新速度和坐标位置序列。本发明专利技术能够提高控制精度，降低应用对处理器的计算负担。

【技术实现步骤摘要】
一种波浪能转换装置的最大能量输出控制方法及系统
本专利技术涉及新能源
，特别是涉及一种波浪能转换装置的最大能量输出控制方法及系统。
技术介绍
波浪能是一种清洁的可再生能源，具有储量巨大、分布广、能量集中的特点。近年来，大量的波浪能转换装置被专利技术出来，各种控制方法在波浪能转换装置上的应用也逐步深入。波浪能发电技术存在两个关键问题需要解决，一是在海洋环境中保持安全运行，降低被破坏的风险；二是提高波浪能转换装置的能量转换效率。对波浪能转换装置采取高效可靠的控制方法，是提高波浪能转换效率的有效途径。模型预测控制可以处理波浪能转换装置的物理约束，提高装置在海洋环境中工作的安全性与能量转换效率。但模型预测控制在波浪能转换装置上应用存在模型失配和计算负担这两个问题。例如，将模型预测控制应用于波浪能转换装置以实现波浪能转换装置的最大能量输出控制时，就存在着模型失配问题和应用时的计算负担问题。因此，如何有效地处理模型预测控制应用于波浪能转换装置以实现波浪能转换装置的最大能量输出控制时存在的模型失配现象，从而提高控制精度，并且降低应用对处理器的计算负担成为本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种波浪能转换装置的最大能量输出控制方法及系统，能够提高波浪能转换装置的最大能量输出控制精度，并且降低处理器的计算负担。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种波浪能转换装置的最大能量输出控制方法，所述方法包括：步骤S1：对波浪能转换装置进行受力分析，建立离散状态空间表达式作为模型；步骤S2：将当前时刻波浪能转换装置的状态和波浪状态输入所述模型中，预测设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，得到速度序列和坐标位置序列；步骤S3：以能量最大化为目标建立目标函数；步骤S4：将所述速度序列和所述坐标位置序列代入所述目标函数中，求解所述目标函数，得到波浪能转换装置的控制序列；所述控制序列包括设定时间段内各个时刻的控制力；步骤S5：实时计算当前时刻波浪能转换装置的实际速度与所述速度序列中当前时刻的速度的误差，基于滑模控制计算所述控制序列中各控制力的补偿值；步骤S6：保存所述控制序列中前nl个控制力，依次将对应的补偿值分别加到前nl个控制力上，得到补偿后的前nl个控制力，并依次按补偿后的前nl个控制力分别控制波浪能转换装置的最大能量输出，直至达到设定时刻时，执行“步骤S7”；nl为大于1的正整数；步骤S7：将设定时刻波浪能转换装置的状态和波浪状态输入所述模型中，预测nl控制力后设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，更新所述速度序列和所述坐标位置序列，返回到“步骤S4”。可选地，所述对波浪能转换装置进行受力分析，建立离散状态空间表达式作为模型，具体包括：建立波浪能转换装置的牛顿第二定律公式式中，m表示浮子的质量，表示浮子的垂直方向的加速度，fr表示辐射力，fh表示静水恢复力，fv表示线性沾性力，fe表示激振力，fu表示受控力；其中，辐射力fr的计算公式为：式中，ma是由于辐射力引起的附加质量，fR是辐射力的卷积项，是xr的导数，xr为辐射力的状态变量，xr是nr×1的列向量，nr是辐射力变量xr的行数，为浮子在垂直方向上的速度，Ar、Br和Cr是fR的状态空间表示矩阵；静水恢复力fh的计算公式为：fh＝kszv；式中，zv为浮子在垂直方向上的坐标位置，ks为刚度系数，ks＝ρgS，ρ为水的密度，g为重力加速度，S为浮体的水平面面积；沾性力fv的计算公式为：式中，Cv是粘性系数，为波浪在垂直方向的速度；激振力fe的计算公式为：式中，为xe的导数，xe为激振力的状态变量，xe是ne×1的列向量，ne是激振力变量xe的行数，zw为波浪的z轴坐标，Ae、Be和Ce是激振力的状态空间表示矩阵；根据所述牛顿第二定律公式建立波浪能转换装置的状态空间表达式式中，为波浪能转换装置的状态变量，为的导数，Ac、Buc、Bwc、Bwwc、C和Cz是波浪能转换装置状态空间表示矩阵，C＝[0101×(nr+ne)]，Cz＝[101×(nr+ne+1)]，ms是m、ma之和，u是控制力，u＝fu，w是波浪的高度，w＝zw，是波浪在垂直方向上的速度，是浮子在垂直方向上的速度，是浮子在垂直方向上的坐标位置，对所述状态空间表达式进行离散，得到离散状态空间表达式，并将离散状态空间表达式作为模型；所述离散状态空间表达式为：式中，是k+1时刻的波浪能转换装置的状态，是k时刻的波浪能转换装置的状态，u(k)是k时刻的控制力，w(k)是k时刻的波浪高度，为k时刻波浪在垂直方向上的速度，是k时刻的浮子在垂直方向上的速度，是k时刻的浮子在垂直方向上的坐标位置，A、Bu、Bw、Bww是Ac、Buc、Bwc、Bwwc离散后的矩阵。可选地，所述将当前时刻的波浪能转换装置的状态和波浪状态输入所述模型中，预测设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，得到速度序列和坐标位置序列，具体包括：根据所述离散状态空间表达式预测k+i时刻浮子在垂直方向上的速度和k+i时刻浮子在垂直方向上的坐标位置得到第k时刻至第k+i时刻浮子在垂直方向上的速度序列Y和第k时刻至第k+i时刻浮子在垂直方向上的坐标位置序列Z；其中，式中，x(k)是k时刻波浪能转换装置的状态，i是1到k+i之间的变量，j是0到i-1之间的变量，是预测的k+j时刻的控制力，是预测的k+j时刻的波浪高度，是预测的k+j时刻波浪在垂直方向上的速度；可选地，所述以能量最大化为目标建立目标函数，具体包括：以能量最大化为目标建立目标函数式中，U是求解目标函数得到的控制序列，Q和R是对角矩阵，Zmin和Zmax是浮子的最小和最大位移限制，Umin和Umax是对控制力的最小和最大限制，T表示转置。可选地，所述将所述速度序列和所述坐标位置序列代入所述目标函数中，求解所述目标函数，得到波浪能转换装置的控制序列，具体包括：将所述速度序列Y和所述坐标位置序列Z代入所述目标函数中，求解所述目标函数得到UT＝[u1u2…unp-1unp]，获得波浪能转换装置的控制序列；式中，unp表示第k+i时刻对应的第np个控制力。可选地，所述实时计算当前时刻波浪能转换装置的实际速度与所述速度序列中当前时刻的速度的误差，基于滑模控制计算所述控制序列中各控制力的补偿值，具体包括：实时计算控制误差式中，y(k)是k时刻浮子在垂直方向上的实际速度，是所述模型预测得到的k时刻浮子在垂直方向上的速度；基于滑模控制计算k时刻控制力的补偿值式中，是e(k)的导数，λ是一个正常数，λ是滑模面的斜率，s是滑模面，其中，可选地，所述依次将对应的补偿值分别加到前nl个控制力上，得到补偿后的前nl个控制力，具体包括：根据公式u*(k)＝u(k)+u'(k)，将k时刻的补偿值u'(k)与k时刻的控制力u(k)加和，得到k时刻补偿后的控制力u*(k)；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波浪能转换装置的最大能量输出控制方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤S1：对波浪能转换装置进行受力分析，建立离散状态空间表达式作为模型；/n步骤S2：将当前时刻波浪能转换装置的状态和波浪状态输入所述模型中，预测设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，得到速度序列和坐标位置序列；/n步骤S3：以能量最大化为目标建立目标函数；/n步骤S4：将所述速度序列和所述坐标位置序列代入所述目标函数中，求解所述目标函数，得到波浪能转换装置的控制序列；所述控制序列包括设定时间段内各个时刻的控制力；/n步骤S5：实时计算当前时刻波浪能转换装置的实际速度与所述速度序列中当前时刻的速度的误差，基于滑模控制计算所述控制序列中各控制力的补偿值；/n步骤S6：保存所述控制序列中前nl个控制力，依次将对应的补偿值分别加到前nl个控制力上，得到补偿后的前nl个控制力，并依次按补偿后的前nl个控制力分别控制波浪能转换装置的最大能量输出，直至达到设定时刻时，执行“步骤S7”；nl为大于1的正整数；/n步骤S7：将设定时刻波浪能转换装置的状态和波浪状态输入所述模型中，预测nl控制力后设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，更新所述速度序列和所述坐标位置序列，返回到“步骤S4”。/n...

【技术特征摘要】
1.一种波浪能转换装置的最大能量输出控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：对波浪能转换装置进行受力分析，建立离散状态空间表达式作为模型；
步骤S2：将当前时刻波浪能转换装置的状态和波浪状态输入所述模型中，预测设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，得到速度序列和坐标位置序列；
步骤S3：以能量最大化为目标建立目标函数；
步骤S4：将所述速度序列和所述坐标位置序列代入所述目标函数中，求解所述目标函数，得到波浪能转换装置的控制序列；所述控制序列包括设定时间段内各个时刻的控制力；
步骤S5：实时计算当前时刻波浪能转换装置的实际速度与所述速度序列中当前时刻的速度的误差，基于滑模控制计算所述控制序列中各控制力的补偿值；
步骤S6：保存所述控制序列中前nl个控制力，依次将对应的补偿值分别加到前nl个控制力上，得到补偿后的前nl个控制力，并依次按补偿后的前nl个控制力分别控制波浪能转换装置的最大能量输出，直至达到设定时刻时，执行“步骤S7”；nl为大于1的正整数；
步骤S7：将设定时刻波浪能转换装置的状态和波浪状态输入所述模型中，预测nl控制力后设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，更新所述速度序列和所述坐标位置序列，返回到“步骤S4”。


2.根据权利要求1所述的波浪能转换装置的最大能量输出控制方法，其特征在于，所述对波浪能转换装置进行受力分析，建立离散状态空间表达式作为模型，具体包括：
建立波浪能转换装置的牛顿第二定律公式式中，m表示浮子的质量，表示浮子的垂直方向的加速度，fr表示辐射力，fh表示静水恢复力，fv表示线性沾性力，fe表示激振力，fu表示受控力；其中，辐射力fr的计算公式为：式中，ma是由于辐射力引起的附加质量，fR是辐射力的卷积项，是xr的导数，xr为辐射力的状态变量，xr是nr×1的列向量，nr是辐射力变量xr的行数，为浮子在垂直方向上的速度，Ar、Br和Cr是fR的状态空间表示矩阵；静水恢复力fh的计算公式为：fh＝kxzv；式中，zv为浮子在垂直方向上的坐标位置，ks为刚度系数，ks＝ρgS，ρ为水的密度，g为重力加速度，S为浮体的水平面面积；沾性力fv的计算公式为：式中，Cv是粘性系数，为波浪在垂直方向的速度；激振力fe的计算公式为：式中，为xe的导数，xe为激振力的状态变量，xe是ne×1的列向量，ne是激振力变量xe的行数，zw为波浪的z轴坐标，Ae、Be和Ce是激振力的状态空间表示矩阵；
根据所述牛顿第二定律公式建立波浪能转换装置的状态空间表达式式中，为波浪能转换装置的状态变量，为的导数，Ac、Buc、Bwc、Bwwc、C和Cz是波浪能转换装置状态空间表示矩阵，C＝[0101×(nr+ne)]，Cz＝[101×(nr+ne+1)]，ms是m、ma之和，u是控制力，u＝fu，w是波浪的高度，w＝zw，是波浪在垂直方向上的速度，是浮子在垂直方向上的速度，是浮子在垂直方向上的坐标位置，
对所述状态空间表达式进行离散，得到离散状态空间表达式，并将离散状态空间表达式作为模型；所述离散状态空间表达式为：式中，是k+1时刻的波浪能转换装置的状态，是k时刻的波浪能转换装置的状态，u(k)是k时刻的控制力，w(k)是k时刻的波浪高度，为k时刻波浪在垂直方向上的速度，是k时刻的浮子在垂直方向上的速度，是k时刻的浮子在垂直方向上的坐标位置，A、Bu、Bw、Bww是Ac、Buc、Bwc、Bwwc离散后的矩阵。


3.根据权利要求2所述的波浪能转换装置的最大能量输出控制方法，其特征在于，所述将当前时刻的波浪能转换装置的状态和波浪状态输入所述模型中，预测设定时间段内各个时刻浮子在垂直方向上的速度和坐标位置，得到速度序列和坐标位置序列，具体包括：
根据所述离散状态空间表达式预测k+i时刻浮子在垂直方向上的速度和k+i时刻浮子在垂直方向上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振春，栾锋，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13