一种用于直驱式波浪能发电装置的反步积分控制方法

本发明涉及智能控制，具体而言，涉及一种用于直驱式波浪能发电装置的反步积分控制方法。

背景技术：

1、随着全球化石能源的逐渐减少与环境污染问题的日益严峻，波浪能因其储量丰富、能量密度高、清洁无污染等特性，已成为能源领域的前沿研究方向。在众多波浪能转换技术中，直驱式波浪能发电装置摒弃了传统的中间传动结构，采用浮子直接驱动永磁直线同步电机进行发电，该结构不仅显著提升了系统的能量传递效率，还大幅增强了设备在恶劣海洋环境下的服役寿命与可靠性，代表了波浪能高效利用的主流发展方向。因此，探究直驱发电系统在复杂海况下的高精度电磁力跟踪控制策略，以保障最大功率点跟踪的稳定实现，已成为该领域的研究热点。

2、反步法凭借其严谨的结构化设计逻辑，在非线性系统控制中展现出独特优势。该方法通过将高阶非线性系统降维分解为多个低阶子系统，并逐级构造lyapunov函数，能够系统性地实现严格反馈非线性系统的全局渐近稳定。然而，现有反步控制策略仍存在一定局限性，其控制律高度依赖被控对象的精确数学模型。在实际工程应用中，电机参数不确定性以及外部波浪激励的突变特性，易导致控制模型与实际系统之间产生失配，从而在系统中引入难以消除的误差，影响系统对最优能量捕获状态的跟踪性能，造成功率损失。

3、因此，有必要设计一种用于直驱式波浪能发电装置的反步积分控制方法，通过对系统内部参数不确定性与外部波浪扰动进行等效建模，并在反步控制框架中引入积分补偿机制，以解决直驱波浪能发电系统在参数摄动与波浪突变耦合作用下电磁力跟踪精度下降及能量捕获效率降低的问题；以提升系统的抗扰性能与稳态控制精度，增强在恶劣实际情况下的发电能力。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种用于直驱式波浪能发电装置的反步积分控制方法 ，旨在解决直驱波浪能发电系统在参数摄动与波浪突变耦合作用下电磁力跟踪精度下降及能量捕获效率降低的问题。

2、本发明提出了一种用于直驱式波浪能发电装置的反步积分控制方法 ，包括以下步骤：

3、采集装置的内部运行数据与波浪环境数据，建立装置内部受力与运动的对应关系，根据所述对应关系获取电流指令值；

4、搭建装置的控制流程，在所述控制流程中设置误差积分处理环节；

5、采集装置实时运行的实际电流数据，结合所述电流指令值获取电流跟踪误差数据；

6、将所述电流跟踪误差数据与预设误差阈值进行对比，根据对比结果和所述误差积分处理环节对电流跟踪误差数据进行时域累积运算，生成电压补偿分量；

7、根据所述电流跟踪误差数据与电压补偿分量，生成控制电压指令；

8、根据所述控制电压指令调节永磁直线同步电机的电磁推力，匹配装置运动状态与波浪作用力。

9、进一步的，所述采集装置的内部运行数据与波浪环境数据，建立装置内部受力与运动的对应关系，根据所述对应关系获取电流指令值，包括：

10、采集永磁直线同步电机的定子电压、定子电流和动子垂荡位移，作为所述内部运行数据；

11、采集波浪激励力的时域波形数据，作为所述波浪环境数据；

12、根据所述定子电压、定子电流、动子垂荡位移和波浪激励力，建立浮子受力平衡方程与电机电磁力方程，作为所述对应关系；

13、根据所述对应关系获取动子速度与波浪激励力匹配时的目标电磁推力，并根据所述目标电磁推力获取q轴电流指令值和d轴电流指令值。

14、进一步的，所述搭建装置的控制流程，在所述控制流程中设置误差积分处理环节的过程，包括：

15、以所述永磁直线同步电机的d轴电流和q轴电流为被控变量，构建基于反步法的控制框架；

16、在所述控制框架中，针对d轴电流误差和q轴电流误差分别设置独立的积分支路，每条积分支路包含一个积分器；

17、为每条积分支路配置积分增益参数，所述积分增益参数的初始值根据所述永磁直线同步电机的额定电流值与期望响应时间确定。

18、进一步的，所述采集装置实时运行的实际电流数据，结合所述电流指令值获取电流跟踪误差数据，包括：

19、采集所述永磁直线同步电机的实时d轴电流数据和实时q轴电流数据，作为所述实际电流数据；

20、获取所述q轴电流指令值与所述实时q轴电流之间的差值，作为q轴电流跟踪误差数据；

21、获取所述d轴电流指令值与所述实时d轴电流之间的差值，作为d轴电流跟踪误差数据。

22、进一步的，所述将所述电流跟踪误差数据与预设误差阈值进行对比，根据对比结果和所述误差积分处理环节对电流跟踪误差数据进行时域累积运算，生成电压补偿分量，包括：

23、当所述q轴电流跟踪误差数据的绝对值大于所述误差阈值时，将所述q轴电流跟踪误差数据输入对应的积分支路进行时域累积运算，获得q轴积分状态值，并将所述q轴积分状态值乘以预设的q轴积分补偿增益系数，得到q轴电压补偿分量；

24、当所述d轴电流跟踪误差数据的绝对值大于所述误差阈值时，将所述d轴电流跟踪误差数据输入对应的积分支路进行时域累积运算，获得d轴积分状态值，并将所述d轴积分状态值乘以预设的d轴积分补偿增益系数，得到d轴电压补偿分量；

25、当所述q轴电流跟踪误差数据的绝对值小于或等于所述误差阈值时，不启动所述q轴积分支路的时域累积运算；

26、当所述d轴电流跟踪误差数据的绝对值小于或等于所述误差阈值时，不启动所述d轴积分支路的时域累积运算。

27、进一步的，根据所述电流跟踪误差数据与电压补偿分量，生成控制电压指令的过程，包括：

28、获取所述q轴电流跟踪误差数据与所述q轴电压补偿分量，将所述q轴电流跟踪误差数据乘以预设的比例控制增益后与所述q轴电压补偿分量叠加，生成q轴控制电压指令；

29、获取所述d轴电流跟踪误差数据与所述d轴电压补偿分量，将所述d轴电流跟踪误差数据乘以预设的比例控制增益后与所述d轴电压补偿分量叠加，生成d轴控制电压指令。

30、进一步的，所述根据所述控制电压指令调节永磁直线同步电机的电磁推力，匹配装置运动状态与波浪作用力，包括：

31、将所述d轴控制电压指令和所述q轴控制电压指令经坐标变换后输入所述永磁直线同步电机的定子绕组，调节所述永磁直线同步电机的电磁推力；

32、采集调节后的动子实时速度，比对所述动子实时速度与所述波浪激励力对应的参考速度之间的速度偏差；

33、当所述速度偏差处于预设速度偏差范围内时，判定装置运动状态与波浪作用力匹配；

34、当所述速度偏差超出预设速度偏差范围时，判定装置运动状态与波浪作用力不匹配。

35、进一步的，在采集装置的内部运行数据与波浪环境数据之前，还包括：

36、对所述波浪激励力进行傅里叶变换，提取所述波浪激励力的主频分量及对应的幅值；

37、根据各主频分量分别获取对应的最优电磁推力分量，并将各最优电磁推力分量叠加，得到理想电磁推力指令；

38、根据所述理想电磁推力指令和所述永磁直线同步电机的推力常数，获得理想q轴电流指令值，作为所述q轴电流指令值。

39、进一步的，根据所述控制电压指令调节永磁直线同步电机的电磁推力之后，还包括：

40、监测所述d轴电流跟踪误差数据的绝对值和所述q轴电流跟踪误差数据的绝对值；

41、当所述d轴电流跟踪误差数据的绝对值或所述q轴电流跟踪误差数据的绝对值持续超过预设误差阈值的时间达到预设时长时，按预定步长增大所述积分增益；

42、当所述d轴电流跟踪误差数据的绝对值和所述q轴电流跟踪误差数据的绝对值均持续低于所述预设误差阈值的时间达到所述预设时长时，按所述预定步长减小所述积分增益；

43、将调整后的积分增益应用于下一控制周期的时域累积运算中。

44、进一步的，所述增大所述积分增益时，增大后的积分增益不超过预设的积分增益上限值；

45、所述减小所述积分增益时，减小后的积分增益不低于预设的积分增益下限值。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明借助卷积神经网络提取海面图像特征来获取精准波浪环境数据，依托图像输出特征区分提取外部波浪变化数据，再结合电机内部参数波动数据整合为统一扰动数据，搭配增设误差积分处理环节的控制流程完成扰动补偿得到修正数据，融合装置实时运行状态生成控制指令实现设备调控，本发明可根据图像识别手段实时感知波浪动态，统一处理内外两类扰动，依靠积分环节抵消扰动带来的跟踪偏差，降低波浪突变与电机参数波动对装置调控的干扰。