基于惯容的网络综合及其在风机系统中的应用

The main purpose of the proposed research is to investigate the control design of the vibration of the offshore wind turbine system based on passive network synthesis. The inerter is a mechanical element which was introduced recently. The invention of the inerter completes the analogy between passive mechanical networks and passive electrical networks. And the inerter has been successfully applied to a series of practical mechanical systems, including the vehicle suspension in Formula One racing. However, there are few works on the offshore wind turbine control based on the inerter. Because of the complexity of the offshore wind turbine system and variable operating environment, there are many unsolved problems about the control of an offshore wind turbine. However, the inerter provides us with different approaches to dealing with these problems. The main topics of the proposed research include : 1. the controller design of passive wind turbine systems based on a specified mechanical layout; 2. the controller design of a wind turbine system with simplest-realization-low-order driving-point function; 3. the controller design of the wind turbine system based on the synthesis of the passive mechanical network with general impedance functions; 4. the semi-active-controller design of the wind turbine system based on a semi-active inerter; 5. the synthesis of passive multi-port networks. In addition, equipped with the inerter or semi-active inerter, the offshore wind turbine system, which we will investigate during the research, is expected to perform better with low cost and low energy consumption.

本项目的主要目的是完善基于无源网络综合的海上风机结构振动控制理论，涉及到电路理论、系统理论及控制理论中的内容。惯容是近年新提出的机械元件，它的提出完善了无源机械系统与无源电路系统之间的类比关系，并且已经应用到了多类机械系统中，但基于惯容的风机结构控制还未得到充分的研究。由于海上风机系统内在的复杂性和多变的运行环境，海上风机结构控制的许多问题尚未解决。惯容对于解决这些问题提供了新思路。本项目以无源网络综合理论为基础，研究基于惯容的海上风机结构控制问题。具体研究内容包括：1. 基于给定机械结构的风机无源结构控制器设计；2. 基于最简实现的低阶策动点函数的风机结构控制器设计；3. 基于一般阻抗函数的无源机械网络综合的风机结构控制器设计；4. 基于半主动惯容的风机半主动结构控制器设计；5. 无源多端口网络综合。本项目将惯容和半主动惯容应用于海上风机结构控制系统中，提升性能的同时保持低成本和低能耗。

本项目的主要目的是探究基于无源网络综合的海上风机结构减振控制器设计。随着日益严峻的能源问题与环境问题，加快发展风电已成为国际社会的普遍共识，风能也已成为我国的第三大电力来源。但风机常年受风浪的持续载荷作用，严重影响了风机结构的使用寿命，因而通过研究机械网络综合问题得出无源减载结构，并将其应用在风机系统中具有重要意义。.本项目的主要研究内容包括：1. 基于给定机械结构的风机无源结构控制器设计，给出有效的参数优化方法；2. 基于最简实现的低阶策动点函数的风机结构控制器设计；3. 基于一般阻抗函数的无源机械网络综合的风机结构控制器设计，研究限定元件个数的结构控制问题；4. 基于半主动惯容的风机半主动结构控制器设计；5. 探讨多自由度结构控制与多端口网络综合相结合的问题，研究无源多端口网络综合。.本项目已在双二次和双三次网络函数的实现与简化、新式无源和半主动惯容的实现与制备、半主动惯容对控制系统稳定性的影响、基于惯容的风机减载控制、使用惯容抑制桥梁的涡激振荡、基于惯容的楼宇减振控制、梁的随机振动减振控制、一维多自由度机械振动系统的可达动态响应等方面取得了一定的研究成果。这些理论结果或者发明专利成果，推动了控制理论、无源网络综合和振动理论的发展，进一步完善了基于惯容的机械振动系统结构优化，为无源惯容与半主动惯容用于实际机械系统提供了理论依据。