引用本文

何修宇, 王雪璇, 赵哲惟, 张爽. 浮式海洋热能转换系统的主动振动控制与扰动观测器设计. 自动化学报, 2019, 45(10): 1846-1856. doi: 10.16383/j.aas.c180197

HE Xiu-Yu, WANG Xue-Xuan, ZHAO Zhe-Wei, ZHANG Shuang. Disturbance Rejection and Vibration Control for a Floating Ocean Thermal Energy Conversion System. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(10): 1846-1856. doi: 10.16383/j.aas.c180197

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c180197

关键词

浮式海洋温差热能转换系统，振动控制，分布参数系统，边界控制，扰动观测器，输出约束 

摘要

随着化石能源的日渐枯竭，海洋热能转换系统（Ocean thermal energy conversion，OTEC）是可以利用海水间的温差将清洁、可再生的海洋能转换为电能的能源系统，关于该系统的研究已引起了越来越多的关注与研究.在工作过程中，浮式海浪温差发电系统中用于传输深层低温海水的管道会受到外界环境的影响产生振动，而这些振动会直接影响系统的性能.本文将研究该柔性系统的振动控制问题，首先，建立用一个偏微分方程和一组常微分方程组成的模型来描述OTEC系统的动力学特性，并直接基于系统的动力学模型设计主动的边界控制器以及边界扰动观测器，从而消除外界扰动的影响，以及减少OTEC系统中柔性管道的横向形变，抑制系统的振动.此外，本文还考虑了OTEC系统中存在的输出约束问题，并且在所设计边界控制律的作用下，从理论上证明OTEC系统的稳定性，保证OTEC系统中的柔性管道的形变量最终收敛于平衡点附近以及浮式平台固定在初始位置附近.最后，通过选择合适的控制参数来对OTEC系统进行数字仿真，利用所得到的仿真结果验证了所设计控制律的有效性.

文章导读

随着社会发展和世界人口的剧烈增长, 能源问题逐渐成为国际上第一热点问题.为解决即将来临的化石能源枯竭问题以及日益严重的环境污染问题, 人们转向对可再生的清洁能源的探索, 例如, 太阳能、风能、地热能、海洋能、潮汐能等.海洋占地球表面近70 %, 蕴含着极为丰富的能量, 对于海洋能的开发吸引了越来越多的关注.

海洋温差能是一种典型海洋热能, 资源蕴含量丰富, 具有巨大的开发潜力.海洋热能转换系统(Ocean thermal energy conversion, OTEC)是一种能有效实现海洋热能–电能的能源转换系统[1−3].该系统利用海洋不同深度海水间的温度差, 通过将冷海水输送到洋表和温海水进行冷热交换来驱动涡轮机产生电能并汇集到海底电缆传输到主输电网中[4].相比于其他可再生能源, OTEC系统具有生产稳定、应用广泛等优点[5−6], 此外, OTEC系统在生产过程中还可以生成包括淡水、海洋营养物质等在内的副产物.综上所述, OTEC系统具有良好的发展前景, 并将在可见的未来得到广泛应用[7].

海洋热能转换平台通常需要安装在广袤的海上, 远离海滨.相比于固定的生产平台, 利用浮台或船只来安装转换装置具有很多的优势, 它不仅生产灵活, 能够随着海洋环境的变化而变更工作地点, 而且安装成本低廉, 维护便利.然而, 在OTEC系统所处的深海环境中, 存在诸多的扰动, 如:洋流、海浪以及向岸风等, 另外, 随着水深和管道重量的增加, 用于连接海面浮台与下端镇重物, 输送深层低温海水的柔性管道(上下跨度较大)可能会产生严重的形变以及剧烈的振动, 这都将导致柔性管道的过早疲劳, 甚至是损毁OTEC系统, 给生产和设备维护带来巨大的损失[8].现有的针对OTEC的研究工作主要集中于发电效率的优化, 抑或是平台结构力学方面的研究, 而鲜有工作来研究用于输送海水的管道结构的振动抑制问题以及主动的振动控制设计.因此, 如何设计有效的控制策略来解决OTEC系统中柔性结构的振动问题对于深入研究OTEC系统的研究具有一定的实际应用价值和理论指导意义.

从物理特性上来分析, OTEC系统中的柔性管道因其大跨度特点, 可以视为一个典型的欧拉–伯努利梁结构, 即, 柔性结构的横截面一直与中轴线垂直, 柔性结构中的剪切形变量相较而言很小.根据其无穷维的物理特性而言, 它是一个分布参数系统[9−14], 通常用一组偏微分方程来描述其管道主体部分的动力学特性, 以及用一组常微分方程来描述其边界位置的动力学特性[15].针对于分布参数系统的研究, 主要是从两个方面着手, 即, 直接基于无穷维的系统模型[16−17]以及基于离散原系统后得到的有穷维模型[18−19].相比于后一种方法, 直接基于系统的无穷维模型的方法在进行控制设计和稳定性分析时考虑了系统中所有状态量的动力学特性, 常用的控制方法包括分布式控制和边界控制.它们由不同位置的信号组成并实施于不同的位置.在文献[20]中, 作者研究了一类热传导方程, 并基于系统的无穷维模型设计了分布式控制器来解决系统的温度变化问题以及系统中存在的全变量约束问题.然而, 该控制器由分布式输出状态量构成并作用整个系统中, 那么就需要无穷多个传感器和执行器来实现, 显然对于实际的系统而言具有很大的实现难度.

另一类控制方法, 即边界控制[21−24]是由系统的边界位置的信号组成, 并最终作用于系统的边界位置上.相较于分布式控制而言, 边界控制具有更好的可实施性.在之前的研究中, 边界控制已经得到了一定的研究与应用.在文献[22]中, Endo等在柔性机械臂的边界位置设计力控制器来控制柔性机械臂中的振动和角度位置.在文献[17]中, Do研究了三维空间下海洋柔性输油立管的振动问题, 设计一组边界控制器来减小柔性立管的三维结构振动. Paranjape等运用基于backstepping的边界控制策略来研究柔性机翼的机械振动抑制问题[25].在文献[26]中, Liu等研究了一个空中加油机系统, 通过在管道末端位置安装边界控制器来完成输油管道的振动抑制问题.除此之外, 边界控制还被运用于其他的一些分布参数系统中[27−30].以上的系统通常只建立了一组偏微分方程来描述其自由运动端的动力学特性.本文的研究是针对两端自由运动的OTEC系统来设计主动的振动控制器, 柔性系统本身复杂的数学模型以及系统无穷维的特性使得该主动控制的设计变得相对困难.

在实际的工作环境中, OTEC系统还可能会受到系统所处环境空间的限制, 柔性结构中材料特性的限制或安全指标的限制等, 这些限制的存在对系统的控制性能提出了更高的要求.如何在抑制OTEC系统结构振动的同时, 解决OTEC系统中可能存在的输出约束问题也为主动振动控制器的设计带来了更大的难度与挑战.本文直接基于OTEC系统的动力学模型设计主动的边界控制器来分析闭环系统稳定性, 抑制柔性管道的振动以及解决系统中存在的输出约束问题.

与之前的研究相比, 本文的创新之处在于: 1)在本文中分析了在外界扰动作用下OTEC系统的动力学特性, 建立了一个偏微分方程—常微分方程组耦合的系统模型, 并直接基于OTEC系统的无穷维模型来进行主动控制器的设计, 通过系统的边界位置信号来构成主动的边界控制器, 从而有效地减小系统中柔性管道的结构振动; 2)本文研究了OTEC系统中可能存在的输出信号约束的问题, 通过将对数障碍项引入系统的边界控制设计中来保证期望的边界输出信号不超出所给定的约束值, 同时保证系统中浮式平台在初始位置的约束范围内运动.此外, 还针对系统的外界扰动设计扰动观测器用以减小外界环境扰动对系统的影响.

本文结构如下:第1节给出了浮式OTEC系统的动力学特性分析以及建模, 并用PDE-ODEs耦合模型来描述OTEC系统中柔性管道的动力学特性, 另外还给出后文分析时所需要用到的预备知识.在第2节中, 详细描述了运用李雅普诺夫直接法进行主动边界控制律设计的过程以及系统稳定性的分析过程.在第3节中, 对浮式OTEC系统做了几组数字仿真实验, 来验证所设计控制策略理论证明的合理性.第4节针对全文的研究工作做了总结和展望.

图 1  典型的浮式热能转换系统示意图

图 2  不加控制器下的柔性输水管道的位移量

图 3  柔性输水管道下端镇重物的位移量

本文针对OTEC系统中柔性管道的振动问题设计了主动的边界控制器, 利用柔性结构边界位置的信号组成控制器并实施在边界位置上来抑制整段柔性管道的形变以及保证系统满足存在的输出约束问题.通过理论和数字仿真的分析与研究验证了所设计的振动控制器的有效性.然而, 本文只是考虑了OETC系统在水平方向的振动, 忽略了柔性结构在其他两个方向的振动以及各方向上振动的耦合关系.三维空间下浮式OTEC系统的振动研究是一个具有挑战性的工作.此外, 对于浮式的平台, 锚链常用固定洋表浮式平台, 柔性管道结构和柔性锚泊结构的耦合也是今后能够继续研究的方向.此外, 本文中所设计的边界控制是由可测量值构成.然而, 在控制器的执行过程中可能还会存在超出最大功率等输入约束的影响, 我们也将在接下来的工作中综合考虑输入约束对系统的影响以及进行设计抗输入约束的主动振动控制设计的研究.

作者简介

何修宇

北京科技大学自动化学院控制科学与工程专业博士研究生.2016年获得电子科技大学自动化工程学院控制科学与工程专业工学硕士学位.主要研究方向为分布参数系统, 海洋控制论, 机器人.E-mail:bhilly@163.com

王雪璇 

北京科技大学自动化学院智能科学与技术专业本科生.主要研究方向为机器学习, 智能控制, 柔性结构边界振动控制.E-mail:m17801001261_2@163.com

赵哲惟  

北京科技大学自动化学院智能科学与技术专业本科生.主要研究方向为机器学习, 智能控制, 柔性结构边界振动控制.E-mail:zhaozhewei@hotmail.com

张爽  

北京科技大学自动化学院副教授.2012年获得新加坡国立大学博士学位.主要研究方向为机器人控制, 智能控制以及分布参数系统控制.本文通信作者. E-mail:zhangshuang.ac@gmail.com