作者：郑晓敏
目前，国内外风力机叶片静力加载试验普遍以设计方提供的试验弯矩分布为依据，根据叶片尺寸，沿叶片展向采用3—6节点的加载模式加载。整个加载过程主要分成4个逐级加载阶段，即按照最大载荷的40%-60%-80%-100%进行加载或卸载，在100%阶段则要求持续时间不少于10 s。由于沿叶片展向的刚度、挠度耦联，导致多节点加载力互相耦合，耦合效应致使加载牵引力不能协调、均匀变化，对加载源的同步加载造成了影响，加载力较难控制。由于被控对象时刻发生变化，很难建立准确的数学模型，给解耦造成一定的困难。文献[6]，[7]分别采用了无模型自适应控制和前馈补偿解耦控制器来实现对加载源的同步加载，但控制精度仍有待提高。
针对以上问题，结合风电叶片静力加载的特点，对静力加载控制系统进行了研究，着重针对加载力之间的耦合特性和解耦进行深入探讨。本文设计了一套风电叶片多节点静力加载系统，通过5个加载节点，分4个加载阶段逐级进行加载：控制系统采用PC机一主控制器一从控制器一检测装置的网络构架模式：数据采集、监控界面通过Del-phi软件编程，主、从控制器为西门子S7 -200PLC．并且首次采用动态矩阵控制，实现了各加载点之间的牵引力同步进行，增强了系统的鲁棒性，有效解决了各加载点之间的耦合问题；最后，进行多节点静力加载实验。试验结果表明，系统控制效果稳定且良好，能够改善静力加载系统加载力不协调、强耦合等问题，使加载过程顺利进行。
1控制方案概述
本文设计的风电叶片5节点静力加载系统主要由筒形加载基座、叶片、滑轮、夹具、钢丝绳、液压站和控制系统构成，如图1所示。筒形加载支座固定在地面上，叶片通过88个高强度螺栓固定在加载基座的筒形支架上。钢丝绳与叶片由夹具连接，夹具和叶片之间用塞有橡胶片的木鞍连接以减少应力集中和对叶片的磨损。液压站由液压绞车、柱塞式变量泵、溢流阀、伺服阀、换向阀、变频器等组成。动力源由液压站提供给液压绞车，通过控制变频器的频率控制液压绞车的转速，5个节点同时加载，叶片的位移由激光测距仪测得，各加载点拉力由拉力传感器测得。
多节点静力加载控制系统由PC、主控制器、从控制器、激光测距仪、位移传感器、力传感器组成。PC与主控制器通过485总线进行双向数据通信，主控制器与从控制器采用CAN总线进行数据传输，控制方案如图2所示。
控制系统中PC机采用Delphi软件编程来实现数据采集以及现场监控，下位机通过西门子S7-200PLC编程实现。静力加载试验中，PC机发出命令给主控制器，从控制器通过Modbus-RTU协议控制变频器的频率来控制液压绞车转速。5个加载点的牵引力大小和位移分别通过拉力传感器和激光测距仪测得，最后控制器将采集的这些数据通过RS485总线反馈给PC实时显示在界面上。
2控制系统设计
2.1同步控制方法
在多节点静力加载控制过程中，由于耦合效应对各节点的加载精度造成了影响，因此，制定同步控制方法时要确保系统一定的同步控制精度，同时具有良好的抗干扰能力，实现各加载点之间的有效解耦。要保证各加载点的同步控制精度，必须实现牵引力速度成一定比例。加载进行初期通过计算给予一定的初始值，加载进行一段时间后通过控制算法计算出各加载点的比例关系，并按照比例协调加载，当偏差较大时通过传感器实时反馈的数据进行调节来实现静力加载的稳定同步。
本文采用动态矩阵控制(Dynamic MatrixControl，DMC)来实现上述各加载点协调控制，动态矩阵控制是基于阶跃响应模型的一种预测控制算法，它是由Culter提出来的一种约束多变量优化控制算法。静力加载过程中各牵引力之间存在约束关系，加载过程描述如下。
式中：ym（k+j）为k+j时刻的期望牵引力；u(k+j-l)为k+j-l时刻的变频器转速，j=l，2，…，P，…，N；hi为脉冲响应系数，ai为阶跃响应系数。
hi和ai之间关系为
控制增量可表示为
因此，ym=（k+j）可表达为
对于第P步的预测如下：
Yo(K)为加载初期给出的初始牵引力，可表达为
式中：4和Ao为阶跃响应模型的系数矩阵；△ Uo（k）和UM（k）为N-2维增量和P维控制向量，都是现时刻k以前的变频器转速值，因此，Yo(k)是由过去的控制输入所计算出的期望牵引力：AUM(k)为M维要求的一组最优控制向量，此时变频器转速得到最优控制。牵引力ym(k+j)最接近期望值，从而达到最优控制效果。
2.2控制系统仿真
为了验证DMC算法的解耦效果，基于Mat-lab/Simulink和AMESim软件构建5节点静力加载仿真模型，如图3所示。输入为5个力传感器反馈值，输出为5个液压绞车的转速及方向。
加载过程中，将被控对象设置为随机刚度和变阻尼，加载时间为380 s，做出输入理想曲线。并将控制参数设为最佳，仿真结果如图4所示。
由图4可以看出，5个节点牵引力的仿真值始终跟随在理想值左右，跟踪效果较好，仿真值与输出值的误差远小于3%。通过仿真曲线得出，动态矩阵控制算法应用于风电叶片静力加载过程，抗干扰解耦能力强，能够快速响应跟踪期望值，对于非线性解耦具有较好的效果。
3试验及分析
3.1试验过程
对Aeroblade62-6.0风电叶片进行全尺寸静力试验。部分试验参数如表1所示，试验现场如图5所示。叶片由88个高强度螺栓固定在筒形加载支座上，液压站通过纵向加载方式向下牵引叶片，叶片上设置5个加载节点同时加载。加载前期安装好激光测距仪、力传感器等。
3.2试验分析
限于篇幅，本文仅对最大挥舞方向(max flp-wise)进行研究，按照试验要求，试验通过40% -60%-80%-100%4个阶段进行，达到IOO%后停顿10 s，按照100%-80%-60%-40%的方案进行卸载。整个试验过程实时记录数据，牵引力变化如图6所示，牵引力误差曲线如图7所示。
从试验数据看出，在本文提及的算法控制下，5个加载点的牵引力协调变化好，且跟踪效果也较好，变频器的快速响应能力强，验证了之前的仿真效果。在牵引力的变化下，各加载点误差变化范围很小，始终保持在+2 kN之内，有效地提高了控制效果，降低了各加载点之间的耦合程度。
4结论
针对风电叶片多节点静力加载存在不同步的问题，设计了一套静力加载控制系统并将其应用于Aeroblade62-6.0风电叶片进行试验验证，得出以下结论。
①控制系统采用PC-主控制器一从控制器一检测装置的网络构架模式，PC采用Delphi软件进行数据采集以及现场监控。通过动态矩阵控制(DMC)算法，获得较好的控制效果。基于Matlab/Simulink和AMESim进行力试验仿真，仿真结果表明能够有效地解决耦合问题。
②通过现场试验，表明该系统控制效果明显，快速响应性强，可以保证各加载节点的协调变化，满足试验的精度要求。
目前，利用该系统对该兆瓦级风电叶片试验一年有余，系统控制效果稳定且良好，为后续静力加载试验的精确控制及叶片进一步的优化设计提供了宝贵的经验。
5摘要：风电叶片静力加载过程中各个加载节点之间存在加载力耦合，导致加载不同步。因此，对多节点静力加载控制系统进行了深入研究。控制方案采用PC-主控制器一从控制器一检测装置的网络构架模式，通过Delphi进行数据采集及现场监控；为使5个加载节点同步加载，增强系统的抗干扰性，首次将动态矩阵控制(DMC)应用于风电叶片静力加载过程，达到较为精确解耦的目的。最后，将设计的控制系统应用于Aeroblade62-6.0型风电叶片的静力试验，结果表明，该系统控制效果良好，可以满足静力加载试验的要求。
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