基于智能主动控制的高层建筑风机系统及方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于增强学习智能主动控制的高层建筑风机系统及方法。


背景技术：

2.高层建筑属于风敏感结构，风荷载往往成为控制荷载。在风荷载的作用下，结构可能会出现大幅度摆动而影响其正常使用，构件内力也可能达到某种极限，进而发生屈服、断裂。高层建筑的风致振动类型主要有两种，一是在顺风向发生的由大气边界层的湍流脉动引起的抖振；二是在横风向发生的由结构后部两侧交替脱落的漩涡引起的涡激振动。当漩涡脱落频率与高层建筑自振频率接近时，可使建筑产生大幅度的横风向涡激共振，严重影响建筑结构的安全性与舒适性。垂直轴风机安装于高层建筑边角能够影响边角处的漩涡脱落模式，控制建筑的风致振动，保障建筑的结构安全和舒适度要求。
3.控制高层建筑风致振动的传统方法是在高层建筑内部安装调谐质量阻尼器(tmd)，阻尼器可以通过自身的惯性和阻尼来消耗风荷载对结构产生的能量，进而减小高层建筑在强风下产生的晃动幅度。广州电视塔、台北101大厦等都安装了阻尼器来减小风致振动。通常阻尼器想要达到理想的振动控制效果，振子质量需要达到主结构质量的1％左右，对于超高层建筑而言，振子质量将高达成百上千吨，使得造价大大增加。此外阻尼器的安装还会占用建筑的大量可用空间。
4.气动措施也常被用来对建筑风致振动进行控制，例如吹吸气控制等。传统的气动控制措施需要基于物理机理建立简化模型，通过人为去不断地调整控制参数，反复进行数值模拟或者实验，最终实现对于控制参数的优化调整；但是，传统的气动控制措施对于复杂的流动问题，效率非常低。
5.为此，一篇申请公布号为cn110094302a的发明专利，公开了一种可变桨顶缘自转型垂直轴风力发电机，主要包含变桨组件、直叶片组、自转圆柱体组、电动机、发电机和塔架。所述变桨组件，由支架、滑块、连杆、开槽连杆、支撑轴、扭簧组成，所述支撑轴与支撑板固定连接，所述扭簧套在支撑轴上与支架连接，另一端与支撑板连接。所述直叶片通过螺栓固定安装在支撑板上。所述自转圆柱体通过联轴器与电动机主轴相连，并绕着轴线进行自转。所述支架主轴通过联轴器与发电机主轴相连，所述发电机通过螺栓与塔架固定连接。该发明主要是根据风速自动调整叶片迎角，并通过改变自转圆柱体的转速提高风能利用率，其结构相对复杂，对于叶片的尺寸设计制造和装配要求很高，不适合广泛推广。
6.再例如一篇申请公布号为cn110552845a的发明专利公开了一种小型垂直轴式风力发电机构，该风力发电机构包括支撑架系统、发电系统、叶轮旋转系统，发电系统位于支撑架系统上方，叶轮旋转系统位于发电系统的上方。该发明改进了叶片设计和装配，但是其叶片形成的十字形转动结构的风能利用率低，仍然无法解决建筑风致振动的问题。


技术实现要素：

7.在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
8.根据本技术的一个方面，提供一种基于智能主动控制的高层建筑风机系统，包括安装于高层建筑外墙边角的多组垂直轴风机、安装于高层建筑楼顶的风速测量仪和加速度传感器、以及用于控制垂直轴风机的控制模块，所述垂直轴风机、风速测量仪和加速度传感器均与控制模块电性连接；所述风速测量仪，控制模块用于监测风速u和加速度a是否均满足预设的阈值范围，如果均满足则使垂直轴风机为高层建筑提供电能，如果风速u和/或加速度a不满足预设的阈值范围(也即任一条件超过阈值范围)则控制垂直轴风机的转速和转向，使其实现对高层建筑的风致振动的主动控制。每个高层建筑外墙边角都安装一组垂直轴风机，各组垂直轴风机的个数相同。
9.进一步的，所述控制模块还用于：监测到风速u和加速度a重新满足预设的阈值范围时，结束对垂直轴风机的控制，使垂直轴风机重新为高层建筑提供电能，作为风能收集装置使用。
10.进一步的，所述垂直轴风机由两个结构相同的半圆柱形叶片组成，两个半圆柱形叶片的弧面朝向相反，且两个半圆柱形叶片的连接部分交叠设置，优选的，两个半圆柱形叶片的连接部分交叠长度为e，e根据具体建筑尺寸调整得出最优值。
11.进一步的，所述控制模块对高层建筑的风致振动的主动控制是通过控制器agent和流体环境(environment)之间的交互学习来实现智能控制的学习策略；其中控制器agent由深度神经网络构成，通过传感器感知环境的状态(state)，并通过控制垂直轴风机的转动动作(action)对环境进行更改；在这一过程中通过合理定义奖励函数(reward)，鼓励控制器寻求最优的控制策略。具体的，控制器agent和流体环境(environment)之间的交互学习时，读取建筑物表面的风压作为状态值输入，顺风向和横风向两个方向的基准倾覆力矩值(不施加任何控制)减去深度强化学习代理模型智能控制状态下的倾覆力矩值作为奖励值，垂直轴风机转速作为行为值，进行交互训练，以实现最优控制策略。其中，控制器agent是深度强化学习代理模型的一个组成部分，整个深度强化学习代理模型包括控制器agent以及流体环境组成的整个系统。
12.本技术采用增强学习的方法可以让计算机通过自主学习去控制风机的转速、转向，在不断的尝试中学到最佳的控制策略，从而实现高效节能的主动控制。
13.进一步的，所述垂直轴风机安装于高层建筑四个外墙边角且距离楼顶以下预设高度。安装于高层建筑边角能够控制建筑的风致振动。日常风速情况下，风机可正常运行发电为建筑提供电能。当进入台风天高风速情况下，增强学习控制模块发挥作用，接管垂直轴风机，控制风机的转速和转向，用于减小高层建筑的风致振动。
14.进一步的，所述垂直轴风机采用阻力型垂直轴风力机，在低风速下具有良好的启动性能，且噪音相对较低。
15.根据本技术的另一方面，提供一种基于智能主动控制的高层建筑风机方法，其包括：
16.步骤一：在高层建筑外墙边角距离楼顶以下预设高度范围内安装一定数量的垂直轴风机；
17.步骤二：在高层建筑外墙边角距离楼顶以上一定高度处安装风速测量仪，用来测量来流风速u的大小；在高层建筑楼顶的中心部位安装加速度传感器，用来测量建筑顶部加速度a的大小；设置控制垂直轴风机的控制模块，且所述垂直轴风机、风速测量仪和加速度传感器均与控制模块电性连接，风速测量仪和加速度传感器将测得的来流风速u与建筑顶部的加速度值a发送至控制模块；
18.步骤三：为来流风速u与建筑顶部的加速度值a设置阈值范围；当控制模块判断其收到的来流风速u与建筑顶部加速度a位于阈值范围内时，垂直轴风机作为风能搜集系统正常运行，为建筑提供电能；
19.步骤四：控制模块判断来流风速u或者建筑顶部加速度值a超过阈值范围时，启动增强学习控制模块，所述增强学习控制模块用于控制垂直轴风机的转速和转向，使其实现对高层建筑的风致振动的主动控制；
20.步骤五：控制模块检测到来流风速u和建筑顶部加速度值a重新位于阈值范围内时，控制模块结束对垂直轴风机的控制，使其重新作为风能收集装置使用。
21.本技术的垂直轴风机安装于高层建筑边角，能够控制建筑的风致振动。日常风速情况下，风机可正常运行发电为建筑提供电能。当进入台风天高风速情况下，增强学习控制模块发挥作用，接管垂直轴风机，控制垂直轴风机的转速和转向，用于减小高层建筑的风致振动。通过上述方案，可实现采用一套系统在不同风速下可以分别起到利用风能与控制建筑风致振动的效果。此外，采用增强学习控制模块的增强学习方法控制高层建筑振动，与传统的气动控制方法相比更加高效，还节省了安装阻尼器的造价，更加经济节能。
附图说明
22.本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附
23.图中：
24.图1为本发明的高层建筑风机系统的原理图；
25.图2为本发明的高层建筑风机系统的安装示意图；
26.图3为本发明的垂直轴风机的结构示意图；
27.图4为本发明的垂直轴风机的俯视示意图；
28.图5为本发明的增强学习控制模块的原理图。
具体实施方式
29.下面将参照附图来说明本发明的实施例。为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为
基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.参见图1，本发明实施例的高层建筑风机系统，在日常风速情况下，风机系统可正常运行发电为建筑提供电能；当进入台风天高风速情况下，增强学习控制模块发挥作用，接管风机系统，控制垂直轴风机的转速和转向，用于减小高层建筑的风致振动，风机系统的控制流程见图1。
32.参见图2，本发明的垂直轴风机安装于高层建筑四个边角距离楼顶以下的一定高度范围，垂直轴风机安装的数量根据实际环境来设计。垂直轴风机采用savonius型，它是一种典型的阻力型垂直轴风力机，参见图3和图4，由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，两个半圆柱形叶片结构相同，其安装的弧面朝向相反，转动时叶片呈同一方向，且两个半圆柱形叶片的连接部分交叠设置，令两个半圆柱形叶片的连接部分交叠长度为e，半圆柱形叶片的直径为d。本发明的垂直轴风机在低风速下具有良好的启动性能，且噪音相对较低。垂直轴风机安装于高层建筑边角能够控制建筑的风致振动。
33.在高层建筑四个边角距离楼顶以上一定高度处安装风速测量仪，用来测量来流风速u的大小；在高层建筑楼顶的中心部位安装加速度传感器，用来测量建筑顶部加速度a的大小。
34.为满足舒适度的要求，来流风速u与建筑顶部的加速度值a均应满足一定的舒适度阈值要求。当测得的来流风速u与建筑顶部加速度a均小于舒适度阈值时，风机作为风能搜集系统正常运行，为建筑提供电能。
35.当传感器(风速测量仪和加速度传感器)测得的来流风速u及建筑顶部的加速度值a作为被测信号反馈给控制模块，当被测信号其中之一超过设定的舒适度阈值时，增强学习控制模块开始发挥作用，控制垂直轴风机的转速、转向，进而实现对高层建筑的风致振动的主动控制。利用增强学习实现智能控制的框架如图5所示，有效的学习策略是通过控制器(agent)和流体环境(environment)之间的交互来学习的。agent由深度神经网络构成，通过传感器感知环境的状态(state)，并通过动作(action)对环境进行更改，这里的动作指风机的转动。在这一过程中可以通过合理定义奖励函数(reward)，鼓励控制器寻求最优的控制策略。
36.当风速回落后，来流风速u与建筑顶部的加速度值a重新满足舒适度阈值要求，控制模块结束对垂直轴风机的控制，垂直轴风机重新作为风能收集装置使用。
37.本发明采用增强学习的方法可以让计算机通过自主学习去控制风机的转速、转向，在不断的尝试中学到最佳的控制策略，从而实现高效节能的主动控制。
38.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
39.尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应
该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。