專利名稱：用于為控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供至少一種輸入傳感器信號(hào)的方法和設(shè)備以及控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于為與裝置特別是風(fēng)輪機(jī)相關(guān)的控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供至少一種輸入傳感器信號(hào)的方法和設(shè)備。本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于裝置特別是風(fēng)輪機(jī)的控制設(shè)備。
背景技術(shù)：
由于海上風(fēng)電場數(shù)量的不斷增加，因此對(duì)改進(jìn)的控制和監(jiān)測(cè)方法以及對(duì)用于這種 風(fēng)電場的風(fēng)輪機(jī)的改進(jìn)的控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備都存在需求。原因在于存在將海上風(fēng)電場進(jìn)一步 遠(yuǎn)離海岸設(shè)置到遠(yuǎn)海中的趨勢(shì)。但是，在遠(yuǎn)海區(qū)域要比在海岸附近的區(qū)域更加難以進(jìn)行維 護(hù)。而且，將技術(shù)人員送至遠(yuǎn)海區(qū)域是昂貴、耗時(shí)并且可能是危險(xiǎn)的。因此，人們希望使維 護(hù)的時(shí)間間隔盡可能長并且人們?cè)O(shè)法減少由于風(fēng)輪機(jī)故障造成的停機(jī)次數(shù)。為了減少停機(jī) 次數(shù)，有時(shí)會(huì)進(jìn)行前瞻性的維護(hù)，這意味著在早期階段檢測(cè)部件的損壞并在可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng) 輪機(jī)失效并因此導(dǎo)致停機(jī)的故障狀態(tài)出現(xiàn)之前即維修或更換相應(yīng)部件。另一方面，改進(jìn)的 控制方案例如對(duì)每一個(gè)槳葉的獨(dú)立變槳距控制允許降低作用在風(fēng)輪機(jī)部件上的載荷，增加 風(fēng)輪機(jī)部件的壽命并延長維護(hù)的時(shí)間間隔。但是，復(fù)雜控制方法的使用以及風(fēng)輪機(jī)狀態(tài)的復(fù)雜監(jiān)測(cè)要受到能夠從測(cè)量風(fēng)輪機(jī) 各種參數(shù)的傳感器信號(hào)中提取的信息的限制。沿風(fēng)向的風(fēng)速就是不能以足夠的精度測(cè)量 以用于在風(fēng)輪機(jī)控制中使用的參數(shù)實(shí)例。因此，在US2006/0033338A1和W02007/010322A1 中已經(jīng)提出使用風(fēng)速估計(jì)器以利用測(cè)得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳葉槳距角和塔架位置來估算空氣流 速。估算的流速狀態(tài)隨即被用于控制算法中以利用估算的流體流速來計(jì)算所需的槳葉槳距 角。風(fēng)輪機(jī)自身的性質(zhì)也有可能是既難于測(cè)量，并且又是控制發(fā)電機(jī)所必需的。S. Donders 在Twente大學(xué)應(yīng)用物理、系統(tǒng)和控制工程系2002年的碩士論文“Fault Detection and Identificationfor Wind Turbine Systems -.a closed-loop analysis，，中介紹了用于在 槳距調(diào)節(jié)器中進(jìn)行故障診斷的狀態(tài)估計(jì)的應(yīng)用。對(duì)參數(shù)估計(jì)和多模型估計(jì)都進(jìn)行了測(cè)試并 且發(fā)現(xiàn)多模型估計(jì)適合用于診斷槳距調(diào)節(jié)器中的未知增益和未知延遲。用于確定風(fēng)輪機(jī)上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和風(fēng)切變的狀態(tài)估計(jì)在例如以下文獻(xiàn)中進(jìn)行了 介紹國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室2003年12月的技術(shù)報(bào)告TP-500-35172中Μ. M. Hand的 "Mitigation of Wind Turbine/VortexInteraction Using Disturbance Accommodating Control ”，Μ. M. Hand和Μ. J. Balas在2004年荷蘭代爾夫特的由風(fēng)力生成轉(zhuǎn)矩的科學(xué) 研究 2004 專題會(huì)議上發(fā)表的 “Load Mitigation Control Design for a WindTurbine Operating in the Path of Vortices”，科羅拉多大學(xué)波爾得分校A. Wright在2003年的 博士論文“Modern Control Design forFlexible Wind Turbines，，，以及美國機(jī)械工程師 協(xié)會(huì)的太陽能工程雜志 126(4) 1083-1091，2004 中 A.D.Wright 和 M.J. Balas 的 “Design ofControls to Attenuate Loads in the Controls Advanced ResearchTurbine，，。W001/76925A1介紹了一種汽車的數(shù)字式或模擬式傳感器控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，遞歸濾波器，優(yōu)選地是卡爾曼濾波器，提供預(yù)定物理參數(shù)的估計(jì)值并將物理參數(shù)信號(hào)輸出至傳感器信號(hào)處理單元，該單元適合用于根據(jù)物理參數(shù)信號(hào)算出一種或多種虛擬傳感器信 號(hào)。在虛擬傳感器的一個(gè)示例中，從ABS接收實(shí)際角速度信號(hào)并將其在車內(nèi)的選定位置處 轉(zhuǎn)化為成比例的速度。US2007/0156259A1介紹了一種系統(tǒng)，產(chǎn)生的輸出在一定范圍內(nèi)變化用于具有輸入 突變轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)特性的模型預(yù)測(cè)控制。在該文獻(xiàn)中介紹了獲取預(yù)期的未來數(shù)據(jù)。US5289379介紹了一種陸地車輛懸架控制系統(tǒng)和相關(guān)的控制電路。但是，盡管現(xiàn)有技術(shù)中介紹的上述估計(jì)方案控制和監(jiān)測(cè)例如風(fēng)輪機(jī)這樣的裝置， 但是仍然會(huì)受到用于控制設(shè)備和/或監(jiān)測(cè)設(shè)備的傳感器信號(hào)的可用性有限的影響。因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于為控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供至少一種輸入傳 感器信號(hào)的改進(jìn)的方法和改進(jìn)的設(shè)備。本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)是提供一種改進(jìn)的控制設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
第一個(gè)目標(biāo)通過如權(quán)利要求1中所述的用于為控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供至少一種 輸入傳感器信號(hào)的方法以及通過如權(quán)利要求14中所述的用于為控制和/或監(jiān)測(cè)設(shè)備提供 至少一種輸入傳感器信號(hào)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的目標(biāo)通過權(quán)利要求15中所述的控制設(shè)備 實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求包含了本發(fā)明更多的擴(kuò)展內(nèi)容。從屬權(quán)利要求的特征彼此獨(dú)立或者彼 此結(jié)合都可能是有利的。為與裝置相關(guān)的控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供至少一種輸入傳感器信號(hào)的本發(fā)明的 方法包括以下步驟-基于在裝置處測(cè)得的至少一種參量提供至少一種實(shí)際傳感器信號(hào)；-提供裝置的至少一種動(dòng)態(tài)模型；-利用動(dòng)態(tài)模型至少在至少一種傳感器信號(hào)的基礎(chǔ)上估計(jì)狀態(tài)；-通過由估計(jì)狀態(tài)計(jì)算裝置處的至少一種局部條件以由估計(jì)的狀態(tài)生成至少一種 虛擬傳感器信號(hào)以及由至少一種局部條件建立起至少一種虛擬傳感器信號(hào)；和-提供至少一種虛擬傳感器信號(hào)作為用于控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用的至少一種輸入傳 感器信號(hào)。裝置具體地可以是風(fēng)輪機(jī)。在本發(fā)明的方法中，裝置是風(fēng)輪機(jī)，而動(dòng)態(tài)模型包括 風(fēng)輪機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性表示及其與風(fēng)切變和/或風(fēng)輪機(jī)尾流的相互作用。估計(jì)的狀態(tài)是風(fēng) 輪機(jī)的風(fēng)切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，而控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用是以下情況 中的一種(a)基于以局部流動(dòng)條件為基礎(chǔ)的空氣動(dòng)力輸入的槳葉空氣動(dòng)力控制，其中至 少一種虛擬傳感器信號(hào)表示局部的風(fēng)向條件；(b)基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺 服控制，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示軸承力和/或軸承力矩；(c)基于長期載荷的疲 勞損傷估計(jì)器，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示風(fēng)輪機(jī)內(nèi)的載荷。本發(fā)明的方法允許提供表示不能通過直接測(cè)量獲得或輕易獲得的裝置參數(shù)的虛 擬傳感器信號(hào)。這樣的虛擬傳感器信號(hào)可以隨后被用于控制應(yīng)用或監(jiān)測(cè)應(yīng)用中。在本文中， 至少一種局部條件可以被視為估計(jì)的測(cè)量值。該估計(jì)的測(cè)量值允許虛擬檢測(cè)否則將難以測(cè) 量或者根本不可測(cè)的參量。為難以通過實(shí)際測(cè)量直接獲取的參數(shù)提供虛擬傳感器信號(hào)增加了可用于控制或 監(jiān)測(cè)功能的參數(shù)數(shù)量。參數(shù)數(shù)量的增加允許在控制算法或監(jiān)測(cè)算法方面有更高的靈活性。如果有控制算法或監(jiān)測(cè)算法需要不能通過實(shí)際傳感器獲得或輕易獲得的傳感器信號(hào)，那么 在過去就無法輕易地使用這樣的算法。但是，通過本發(fā)明提供至少一種輸入傳感器信號(hào)的 方法，即可根據(jù)現(xiàn)有的一種或多種實(shí)際傳感器信號(hào)來生成這樣的傳感器信號(hào)作為虛擬傳感 器信號(hào)。在本發(fā)明的方法中，狀態(tài)估計(jì)器依靠測(cè)量信號(hào)來算出狀態(tài)估計(jì)值。如果直接測(cè)量 也完全可行，這些信號(hào)的具體選擇與直接測(cè)量局部條件的可選方式相比能夠提供成本、可 靠性和安全性方面的優(yōu)勢(shì)。而且，狀態(tài)估計(jì)算法的性質(zhì)可以在特定的應(yīng)用中被變成優(yōu)勢(shì)。允 許調(diào)整的性質(zhì)的例子有對(duì)于模型誤差的魯棒性、計(jì)算成本、對(duì)有限數(shù)值精度的靈敏度以及 測(cè)量延遲下的準(zhǔn)確度。至少一種局部條件的計(jì)算可以基于狀態(tài)之間的非線性關(guān)系和/或狀態(tài)之間的動(dòng) 力學(xué)關(guān)系。非線性關(guān)系和/或動(dòng)力學(xué)關(guān)系可以可選地以查表的形式提供。不過，至少一種 局部條件的計(jì)算也可以基于由狀態(tài)圍繞穩(wěn)態(tài)值的擾動(dòng)分析給出的線性關(guān)系。最后提及的計(jì) 算至少一種局部條件的實(shí)施方式特別適合于如果預(yù)期只會(huì)發(fā)生從穩(wěn)態(tài)值微小偏離的情況。 而且，至少一種局部條件的計(jì)算另外還可以基于至少一種實(shí)際測(cè)量的結(jié)果?？蛇x地，估計(jì)狀態(tài)可以在將至少一種實(shí)際傳感器信號(hào)與由控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用提 供的至少一種輸出信號(hào)結(jié)合在一起的基礎(chǔ)上進(jìn)行。這樣就提供了反饋，反饋可以被用于抵 消模型的不準(zhǔn)確性或者被用于考慮未知的控制器動(dòng) 態(tài)特性。
作為進(jìn)一步的可選項(xiàng)，估計(jì)狀態(tài)還可以包括未來狀態(tài)的估計(jì)，這就提供了給出預(yù) 估的虛擬傳感器信號(hào)并由此考慮實(shí)際傳感器信號(hào)測(cè)量中的延遲的可能性。借助延遲的實(shí)際 傳感器信號(hào)，基于這種延遲的實(shí)際信號(hào)計(jì)算的虛擬傳感器信號(hào)也會(huì)導(dǎo)致虛擬傳感器信號(hào)中 的延遲。通過計(jì)算未來狀態(tài)，該延遲能夠通過計(jì)算估計(jì)的狀態(tài)而被抵消，估計(jì)的狀態(tài)以一時(shí) 間相對(duì)于實(shí)際傳感器信號(hào)處于未來，該時(shí)間等于延遲?？蛇x地，可以根據(jù)多種未來的輸入情 況來算出多種未來的虛擬傳感器信號(hào)。為了估計(jì)狀態(tài)，可以使用遞歸濾波器，例如無限脈沖響應(yīng)的卡爾曼濾波器或有限 脈沖響應(yīng)的卡爾曼濾波器。在本發(fā)明通用方法的一種有利的實(shí)施方式中，裝置是風(fēng)輪機(jī)，而控制和/或監(jiān)測(cè) 應(yīng)用是基于局部流動(dòng)條件的槳葉空氣動(dòng)力控制。槳葉空氣動(dòng)力控制可以是例如載荷控制、 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制、變槳距控制或失速控制。在這種實(shí)施方式中，動(dòng)態(tài)模型可以包括風(fēng)輪機(jī)的結(jié) 構(gòu)動(dòng)態(tài)特性表示及其與風(fēng)切變和/或風(fēng)輪機(jī)尾流的相互作用。因此估計(jì)的狀態(tài)就是風(fēng)切變 和/或尾流狀態(tài)和/或估計(jì)的風(fēng)輪機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示局部流動(dòng)條 件。在這第一種實(shí)施方式中，任何可用的測(cè)量信號(hào)都可以被用作用于狀態(tài)估計(jì)的輸入。但 是，鑒于成本、維護(hù)和可靠性方面的原因，來自風(fēng)輪機(jī)機(jī)艙內(nèi)的傳感器的信號(hào)是優(yōu)選的。而 且，根據(jù)由機(jī)艙內(nèi)的傳感器生成的信號(hào)可以很好地估計(jì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和轉(zhuǎn)子槳葉風(fēng)速。在本實(shí)施方式中，動(dòng)態(tài)模型并不局限于結(jié)構(gòu)狀態(tài)、風(fēng)切變狀態(tài)和風(fēng)輪機(jī)尾流狀態(tài) 的特定組合。優(yōu)選地，動(dòng)態(tài)模型包括塔架前向/后向彎曲和槳葉襟翼彎曲的至少第一模式 的動(dòng)態(tài)特性，以及表現(xiàn)為至少為零的風(fēng)切變和轉(zhuǎn)子方位角內(nèi)的第一風(fēng)速諧波。而且，任意適合的變量均可被用于表征局部流動(dòng)條件，也就是形式為虛擬傳感器 信號(hào)的虛擬測(cè)量的結(jié)果。示例有攻角、相對(duì)速度或速度分量、局部壓力、局部翼面加速度以 及無量綱變量例如雷諾數(shù)和升力系數(shù)、阻力系數(shù)、法向力系數(shù)或力矩系數(shù)?？梢杂靡韵氯N方式中的一種來根據(jù)估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和風(fēng)切變計(jì)算局部流動(dòng)變量1、根據(jù)風(fēng)輪機(jī)的估計(jì)風(fēng)速分量和估計(jì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的矢量關(guān)系。2、根據(jù)通用的非線性和/或動(dòng)力學(xué)關(guān)系，可選地為查表的形式。3、根據(jù)由結(jié)構(gòu)狀態(tài)和風(fēng)切變圍繞其穩(wěn)態(tài)值的擾動(dòng)分析給出的線性關(guān)系。由于風(fēng)速估計(jì)值是在整個(gè)轉(zhuǎn)子平面上定義的，因此虛擬傳感器信號(hào)也可以包括槳 葉前方的風(fēng)速。在本發(fā)明方法的一種進(jìn)一步的有利實(shí)施方式中，裝置是風(fēng)輪機(jī)而控制和/或監(jiān)測(cè) 應(yīng)用是基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺服控制。通常的影響槳距方位角控制的力和 力矩是施加的控制力矩、來自摩擦的干擾力矩、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、重力和空氣動(dòng)力。在此情況下，動(dòng) 態(tài)模型包括風(fēng)輪機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性表示及其與風(fēng)切變和/或風(fēng)輪機(jī)尾流的相互作用。估計(jì) 的狀態(tài)是風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。由估計(jì)的狀態(tài)生成的至 少一種虛擬傳感器信號(hào)表示軸承力和/或軸承力矩。在上述的實(shí)施方式中，考慮到干擾轉(zhuǎn)矩和/或槳葉上下旋轉(zhuǎn)隨著槳葉彎曲而變化 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，控制算法可以響應(yīng)于槳距角或槳距角變化率指令而生成控制轉(zhuǎn)矩。軸承力和 軸承力矩的計(jì)算可以在由結(jié)構(gòu)狀態(tài)和風(fēng)切變產(chǎn)生的力和力矩的模型基礎(chǔ)上并且在將力和 力矩傳輸?shù)阶儤S承的方式的基礎(chǔ)上完成。用于槳葉內(nèi)的力和力矩的模型可以是非線性模 型的線性表示或者是完全非線性的模型。軸承摩擦可以例如被假定為庫侖型且正比于槳葉 根部處的彎矩，正如H. Markou等人在2007年ECN WindEnergy技術(shù)報(bào)告ECN-E-06-056的 "Morphological Study ofAeroelastic Control Concepts for Wind Turbines，，中介紹白勺 那樣。具體地，模型可以進(jìn)一步包括可選的槳葉扭轉(zhuǎn)表示以作為又一個(gè)自由度。在本發(fā)明方法的第三種有利的實(shí)施方式中，裝置也是風(fēng)輪機(jī)?？刂坪?或監(jiān)測(cè)應(yīng) 用是基于長期載荷的疲勞損傷估計(jì)器。在此情況下，動(dòng)態(tài)模型包括風(fēng)輪機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性 表示及其與風(fēng)切變和/或風(fēng)輪機(jī)尾流的相互作用。估計(jì)的狀態(tài)是風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)切變和/或尾 流狀態(tài)和/或估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。由估計(jì)的狀態(tài)生成的至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示風(fēng)輪機(jī) 內(nèi)的載荷。就像第一種和第二種實(shí)施方式那樣，載荷計(jì)算可以是從結(jié)構(gòu)狀態(tài)和風(fēng)切變到一 組在結(jié)構(gòu)內(nèi)所需位置處的估計(jì)的載荷的線性或非線性映射。虛擬傳感器信號(hào)，其隨后表示由這些虛擬傳感器信號(hào)組成的載荷序列，可以被存 儲(chǔ)一段時(shí)間。如果將存儲(chǔ)的載荷作為時(shí)間序列處理，那么估計(jì)疲勞度即可通過用于估計(jì)疲 勞度的任意公知技術(shù)實(shí)現(xiàn)。為與裝置特別是風(fēng)輪機(jī)相關(guān)的控制和/或監(jiān)測(cè)設(shè)備提供至少一種輸入傳感器信 號(hào)的本發(fā)明的設(shè)備包括含有裝置的動(dòng)態(tài)模型的至少一種模型單元，其被設(shè)計(jì)用于輸出裝置 的模型表示。設(shè)備進(jìn)一步包括至少一種狀態(tài)估計(jì)器，其包含可連接至裝置的傳感器輸出的 傳感器信號(hào)輸入，用于接收由所述傳感器提供的實(shí)際傳感器信號(hào)。至少一種狀態(tài)估計(jì)器被 連接至至少一種模型單元，用于接收裝置的模型表示，并被設(shè)計(jì)用于至少在至少一種實(shí)際 傳感器信號(hào)和裝置模型表示的基礎(chǔ)上估計(jì)和輸出狀態(tài)。另外，本發(fā)明的設(shè)備包括至少一種 信號(hào)發(fā)生器，其被連接至狀態(tài)估計(jì)器用于接收估計(jì)的狀態(tài)。信號(hào)發(fā)生器被設(shè)計(jì)用于根據(jù)估 計(jì)的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號(hào)并包括可連接至控制和/或監(jiān)測(cè)設(shè)備的輸出，用于 輸出所述至少一種虛擬傳感器信號(hào)。在本發(fā)明的設(shè)備中，裝置是風(fēng)輪機(jī)，而動(dòng)態(tài)模型包括風(fēng) 輪機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性表示及其與風(fēng)切變和/或風(fēng)輪機(jī)尾流的相互作用。估計(jì)的狀態(tài)是風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，而控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用是以下情況中 的一種(a)基于以局部流動(dòng)條件為基礎(chǔ)的空氣動(dòng)力輸入的槳葉空氣動(dòng)力控制，其中至少 一種虛擬傳感器信號(hào)表示局部的風(fēng)向條件；(b)基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺服 控制，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示軸承力和/或軸承力矩；(c)基于長期載荷的疲勞 損傷估計(jì)器，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示風(fēng)輪機(jī)內(nèi)的載荷。本發(fā)明的設(shè)備適合用于執(zhí)行本發(fā)明的方法。具體地，信號(hào)發(fā)生器適用于通過根據(jù) 估計(jì)的狀態(tài)計(jì)算裝置處的至少一種局部條件也就是通過估計(jì)的或虛擬的測(cè)量值而由估計(jì) 的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號(hào)。在模型單元的動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上由狀態(tài)估計(jì)器建立 起以在信號(hào)發(fā)生器內(nèi)生成的虛擬傳感器信號(hào)為基礎(chǔ)的狀態(tài)。本發(fā)明的控制設(shè)備適用于通過受控信號(hào)作用在裝置例如風(fēng)輪機(jī)的受控系統(tǒng)上，目 的是為了影響受控系統(tǒng)的實(shí)際值。本發(fā)明這樣的控制設(shè)備包括被設(shè)計(jì)用于至少在實(shí)際值偏 離設(shè)定值或參考值的基礎(chǔ)上生成和輸出表示被生成用于受控系統(tǒng)的控制信號(hào)的控制器輸 出信號(hào)，目的是為了至少間接地影響所述實(shí)際值。本發(fā)明控制設(shè)備的調(diào)節(jié)器被連接至控制 器用于接收控制器輸出信號(hào)。它被設(shè)計(jì)用于在接收到的控制器輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上生成和輸 出所述控制信號(hào)。本發(fā)明的控制設(shè)備進(jìn)一步包括用于提供至少一種輸入傳感器信號(hào)的獨(dú)創(chuàng) 設(shè)備。該設(shè)備被連接至受控系統(tǒng)的至少一種傳感器，用于接收由所述傳感器提供的實(shí)際傳 感器信號(hào)。這樣由所述設(shè)備提供的虛擬傳感器信號(hào)即為被輸入到控制器內(nèi)的實(shí)際值。本發(fā) 明的控制設(shè)備不僅允許在實(shí)際傳感器信號(hào)的基礎(chǔ)上執(zhí)行控制作用，而且允許在本應(yīng)適合用 于運(yùn)行控制算法但是不能通過實(shí)際測(cè)量輕易獲得的傳感器信號(hào)的基礎(chǔ)上執(zhí)行控制作用。根 據(jù)本發(fā)明，這些有用的傳感器信號(hào)被作為虛擬傳感器信號(hào)提供。本發(fā)明的控制設(shè)備可以進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)器模型單元，其被連接至控制器用于接收 控制器輸出信號(hào)。調(diào)節(jié)器模型單元包含調(diào)節(jié)器模型并被設(shè)計(jì)用于在控制器輸出信號(hào)和調(diào)節(jié) 器模型的基礎(chǔ)上生成模擬控制信號(hào)。差分功能單元被連接至調(diào)節(jié)器用于接收控制信號(hào)以及 被連接至調(diào)節(jié)器模型單元用于接收模擬控制信號(hào)。差分功能單元被設(shè)計(jì)用于生成和輸出表 示控制信號(hào)和模擬控制信號(hào)之間差值的差分信號(hào)?？刂破麟S即也被連接至差分功能單元以 接收差分信號(hào)并被設(shè)計(jì)用于不僅在實(shí)際值偏離設(shè)定值或參考值的基礎(chǔ)上而且還在差分信 號(hào)的基礎(chǔ)上生成和輸出所述控制器輸出信號(hào)。這就允許將未知的調(diào)節(jié)器效應(yīng)考慮在內(nèi)。附圖簡要說明本發(fā)明更多的特征、性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)以下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的說明而變得顯而 易見。

圖1示出了使用本發(fā)明控制設(shè)備的系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。圖2示出了在用于風(fēng)輪機(jī)獨(dú)立槳葉空氣動(dòng)力控制的具體情況下的圖1中的結(jié)構(gòu)。圖3示出了在風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子槳葉外側(cè)位置的流動(dòng)幾何特性。圖4示出了對(duì)未知的調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性和速率限制具有補(bǔ)償?shù)目刂圃O(shè)備。
具體實(shí)施例方式將參照?qǐng)D1介紹使用本發(fā)明控制設(shè)備的應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)。該示意圖示出了作為要 被控制或監(jiān)測(cè)的裝置示例的風(fēng)輪機(jī)1。風(fēng)輪機(jī)被裝有傳感器3，其提供表示對(duì)可測(cè)量參數(shù)的 測(cè)量結(jié)果的實(shí)際傳感器信號(hào)。例如，適當(dāng)?shù)膫鞲衅魈峁┽槍?duì)發(fā)電機(jī)的電輸出、機(jī)艙和/或塔架內(nèi)的加速度、左右搖擺作用力和力矩以及針對(duì)主軸承力和力矩的測(cè)量值。特別地，由于成本低、易于維護(hù)和高可靠性以及由于通過將傳感器安置在機(jī)艙以外不易受影響的位置處所 獲得的好處有限的事實(shí)，因此傳感器設(shè)置在風(fēng)輪機(jī)的機(jī)艙內(nèi)是優(yōu)選的。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括狀態(tài)估計(jì)器5和模型單元7。狀態(tài)估計(jì)器5被連接至至少一種 傳感器3，用于接收表示被測(cè)參數(shù)的實(shí)際傳感器信號(hào)。它被進(jìn)一步連接至模型單元7用于接 收模型參數(shù)。狀態(tài)估計(jì)器5被設(shè)計(jì)用于在接收的模型參數(shù)和接收的實(shí)際傳感器信號(hào)的基礎(chǔ) 上進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。在將風(fēng)輪機(jī)作為裝置的本示例中，由狀態(tài)估計(jì)器提供的輸出是估計(jì)狀態(tài)， 表示風(fēng)輪機(jī)1的一組估計(jì)風(fēng)切變和估計(jì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。有限脈沖響應(yīng)的卡爾曼濾波器被用于本實(shí)施例中以進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。但是，無限脈 沖響應(yīng)的卡爾曼濾波器或任意其他的遞歸線性濾波器也都可以使用。實(shí)際上，本發(fā)明并不 局限于任何特定的狀態(tài)估計(jì)算法。選擇上述類型的濾波器僅僅是因?yàn)樗鼈冊(cè)试S有效的計(jì)算 并且它們的結(jié)果也足夠準(zhǔn)確。信號(hào)發(fā)生器9被連接至狀態(tài)估計(jì)器5用于接收估計(jì)狀態(tài)。它被設(shè)計(jì)用于根據(jù)估計(jì) 狀態(tài)通過將估計(jì)的風(fēng)切變和結(jié)構(gòu)狀態(tài)映射為至少一種局部條件也就是在風(fēng)輪機(jī)1特定位 置處的條件而生成至少一種虛擬傳感器信號(hào)。這種對(duì)至少一種局部條件的映射可以被認(rèn)為 是對(duì)該條件的估計(jì)測(cè)量。根據(jù)局部條件，信號(hào)發(fā)生器9計(jì)算出表示該局部條件的虛擬傳感
器信號(hào)。控制和/或監(jiān)測(cè)設(shè)備11被連接至信號(hào)發(fā)生器9用于接收虛擬傳感器信號(hào)作為輸 入。基于該輸入，并且可選地基于來自實(shí)際傳感器的更多輸入也就是基于實(shí)際的傳感器信 號(hào)，控制和/或監(jiān)測(cè)設(shè)備執(zhí)行所需的控制和/或監(jiān)測(cè)動(dòng)作并將操作決策輸出至風(fēng)輪機(jī)1。在所介紹的結(jié)構(gòu)中，狀態(tài)估計(jì)器5、模型單元7和信號(hào)發(fā)生器9構(gòu)成設(shè)備10，用于 為控制和/或監(jiān)測(cè)設(shè)備11提供輸入傳感器信號(hào)。參照?qǐng)D1介紹的系統(tǒng)的關(guān)鍵特征之一是將估計(jì)狀態(tài)映射為風(fēng)輪機(jī)特定位置處的 條件。用于根據(jù)估計(jì)狀態(tài)表示局部狀態(tài)的合適的變量是攻角、風(fēng)的相對(duì)速度或風(fēng)的速度分 量、局部壓力、局部翼面加速度以及無量綱變量例如雷諾數(shù)、阻力系數(shù)、升力系數(shù)、作用在槳 葉上的力或力矩。局部流動(dòng)變量可以下三種方式之一根據(jù)估計(jì)的狀態(tài)也就是根據(jù)估計(jì)的風(fēng) 切變和估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)來進(jìn)行計(jì)算根據(jù)估計(jì)的風(fēng)速分量和估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的矢量關(guān) 系；根據(jù)通用的非線性和/或動(dòng)力學(xué)關(guān)系，其可選地可以是查表的形式；或者根據(jù)由估計(jì)的 狀態(tài)和估計(jì)的風(fēng)切變圍繞其穩(wěn)態(tài)值的擾動(dòng)分析給出的線性關(guān)系。估計(jì)的風(fēng)切變和估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)是根據(jù)由模型單元7提供的動(dòng)態(tài)模型計(jì)算的。該 動(dòng)態(tài)模型并不局限于結(jié)構(gòu)狀態(tài)、風(fēng)切變狀態(tài)以及發(fā)電機(jī)尾流狀態(tài)的特定組合，而是可以包 括塔架前向和后向彎曲以及槳葉襟翼彎曲的至少第一模式的動(dòng)態(tài)特性，以及表現(xiàn)為至少為 零的風(fēng)切變和轉(zhuǎn)子方位角內(nèi)的第一風(fēng)速諧波?，F(xiàn)在將參照?qǐng)D2介紹圖1中所示控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用。在該具體實(shí)施方式
中，以 風(fēng)輪機(jī)處估計(jì)的局部流動(dòng)條件為基礎(chǔ)的獨(dú)立槳葉空氣動(dòng)力控制得以進(jìn)行。動(dòng)態(tài)模型包括結(jié) 構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的簡單表示及其與簡單風(fēng)切變的相互作用。但是，動(dòng)態(tài)模型并不局限于結(jié)構(gòu)狀 態(tài)、風(fēng)切變狀態(tài)和尾流狀態(tài)的特定組合。它可以包括塔架前向/后向彎曲以及槳葉襟翼彎 曲的至少第一模式的動(dòng)態(tài)特性，以及表現(xiàn)為至少為零的風(fēng)切變和轉(zhuǎn)子方位角內(nèi)的一階風(fēng)速 諧波。
在該實(shí)施方式中，已經(jīng)被證明為實(shí)用的是使用高速軸轉(zhuǎn)矩傳感器、加速度傳感器 用于測(cè)量機(jī)艙前向/后向加速度和機(jī)艙兩側(cè)的加速度，使用左右搖擺傳感器測(cè)量主轉(zhuǎn)子軸 承處的左右搖擺動(dòng)作以及使用上下?lián)u擺傳感器測(cè)量主轉(zhuǎn)子軸承處的上下?lián)u擺動(dòng)作。所有這 些傳感器都提供由狀態(tài)估計(jì)器5使用的實(shí)際傳感器信號(hào)以基于由模型單元7提供的動(dòng)態(tài)模 型來估計(jì)風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)切變和結(jié)構(gòu)狀態(tài)。根據(jù)估計(jì)的狀態(tài)，信號(hào)發(fā)生器9計(jì)算風(fēng)輪機(jī)特定位 置處的局部流動(dòng)條件。這種局部流動(dòng)條件的示例有攻角、風(fēng)的相對(duì)速度或風(fēng)的速度分量、 特定翼面位置處的局部壓力和局部翼面加速度?？蛇x地或附加地，無量綱變量例如轉(zhuǎn)子槳 葉的雷諾數(shù)、升力系數(shù)、阻力系數(shù)、法向力或法向力矩也適合用于描述局部流動(dòng)條件。
這些局部流動(dòng)條件特征變量中的至少一種被以虛擬傳感器信號(hào)的形式輸入至變 槳距控制器13，其計(jì)算要被設(shè)置用于轉(zhuǎn)子的每一個(gè)轉(zhuǎn)子槳葉的獨(dú)立槳距角，目的是為了降 低作用在風(fēng)輪機(jī)上的結(jié)構(gòu)載荷?？刂破?3基于由信號(hào)發(fā)生器9提供的虛擬傳感器信號(hào)計(jì) 算控制器輸出信號(hào)，該信號(hào)由槳葉調(diào)節(jié)器15接收，槳葉調(diào)節(jié)器15被連接至控制器13并且 適合用于根據(jù)控制器輸出信號(hào)為每一個(gè)轉(zhuǎn)子槳葉設(shè)置所需的獨(dú)立槳距角。通過由此設(shè)置轉(zhuǎn) 子槳葉的槳距角，即可降低風(fēng)輪機(jī)的載荷。映射估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和風(fēng)切變的一種可行方式是利用風(fēng)速分量以及風(fēng)輪機(jī)的結(jié) 構(gòu)參數(shù)例如轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和槳距角θ之間的矢量關(guān)系。這些關(guān)系在圖3中示出，圖3示出了 穿過風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子槳葉21的部分以及代表轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或風(fēng)速的各個(gè)矢量。現(xiàn)在將參照?qǐng)D3介紹用于根據(jù)估計(jì)的風(fēng)切變來計(jì)算局部流動(dòng)條件也就是攻角和 相對(duì)風(fēng)速的一個(gè)例子。可以假定槳距角θ和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Ω是根據(jù)實(shí)際測(cè)量已知的，并且例 如槳葉沿翼展方向的移動(dòng)速度和風(fēng)切變實(shí)在動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上通過使用上述的傳感器信 號(hào)估計(jì)的。轉(zhuǎn)子半徑R處點(diǎn)的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速Vrat是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速Ω和半徑R的乘積QR)在 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)造成了相對(duì)于轉(zhuǎn)子槳葉的風(fēng)速-Vrat。沿槳葉方向的短暫變形造成了槳葉 位置處的速度中又一個(gè)需要考慮的分量。該速度分量在圖3中被表示為vfl。對(duì)于相對(duì)風(fēng) 矢量的合成結(jié)果在要考慮的槳葉位置參照系內(nèi)是_vfl。這樣以相對(duì)于翼弦線的攻角α對(duì) 轉(zhuǎn)子槳葉21起作用的相對(duì)風(fēng)速Vrel就能夠通過由狀態(tài)估計(jì)器5提供的轉(zhuǎn)子槳葉指定位置 處的估計(jì)風(fēng)速以及風(fēng)速矢量-vf。t和-Vfl的矢量和得出。通過由此確定的相對(duì)風(fēng)速Vrel， 就能夠確定相對(duì)于轉(zhuǎn)子槳葉的相對(duì)風(fēng)的入流角。該入流角在圖3中用β表示。根據(jù)入流 角β即可通過從入流角β中減去槳距角θ而得出攻角α。請(qǐng)注意已經(jīng)參照?qǐng)D3給出的說明只是關(guān)于如何根據(jù)估計(jì)的風(fēng)切變得出參數(shù)的一 個(gè)示例。但是，還有更多得出局部參數(shù)的可行方式，即利用通常的非線性和/或動(dòng)力學(xué)關(guān)系 或者是利用通過狀態(tài)和風(fēng)切變圍繞其穩(wěn)態(tài)值的擾動(dòng)分析給出的線性關(guān)系。攻角α和相對(duì)風(fēng)速能夠被用于構(gòu)建簡單控制器以明顯地降低作用在槳葉上 的結(jié)構(gòu)載荷。由于估計(jì)的風(fēng)速是在整個(gè)轉(zhuǎn)子槳葉上定義的，因此這樣的控制器可以可選地 包括槳葉前方的相對(duì)風(fēng)速。另外，獨(dú)立變槳距控制的應(yīng)用可以通過失速預(yù)測(cè)而被進(jìn)一步增強(qiáng)。失速的特征在 于后緣駐點(diǎn)的位置或者等價(jià)地在于不穩(wěn)定的升力系數(shù)。分離點(diǎn)位置的動(dòng)態(tài)特性取決于翼面 性質(zhì)、攻角和相對(duì)流速。在本發(fā)明的環(huán)境中，必要的攻角和相對(duì)速度可以根據(jù)狀態(tài)估計(jì)確 定，正如已經(jīng)參照?qǐng)D3介紹的那樣。后緣駐點(diǎn)的位置隨后即可通過一組非線性動(dòng)力學(xué)關(guān)系 確定，并且可以調(diào)節(jié)槳距角以防止出現(xiàn)完全形成的失速。
對(duì)于通過設(shè)置獨(dú)立槳距角控制空氣動(dòng)力載荷來說可選地，空氣動(dòng)力載荷也可以通 過調(diào)節(jié)槳葉或翼面的幾何形狀進(jìn)行控制?？烧{(diào)節(jié)幾何形狀的示例有部分伸展的槳葉槳距、 槳葉扭曲、微翼片、微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、撓性后緣、可變的槳葉彎度以及前緣下垂等。這些可調(diào) 節(jié)的幾何形狀例如由Markou等人在2007年ECN Wind Energy的技術(shù)報(bào)告ECN-E-06-056的 "Morphological Study of Aeroelastic Control Concepts for WindTurbines，，中進(jìn)對(duì)于了 介紹。本申請(qǐng)中調(diào)節(jié)后緣的準(zhǔn)備工作使用了在舷外槳葉位置處的加速度測(cè)量值(與丹麥科 技大學(xué)流體力學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系的P. Andersen在2005年的碩士論文“Load Alleviation on WindTurbine Blades using Variable Airfoil Geometry (2D and 3D study)”相比)。 根據(jù)本發(fā)明，加速度的測(cè)量值可以由估計(jì)加速度代替，或者是如果測(cè)量噪聲在狀態(tài)估計(jì)中 被完全排除那么則通過得出估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，或者是如果數(shù)值推導(dǎo)給出錯(cuò)誤結(jié)果那么則作 為估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和風(fēng)切變的線性組合。通過干擾通常的非線性空氣動(dòng)力模型，使每一種 狀態(tài)和風(fēng)切變圍繞其工作點(diǎn)擾動(dòng)并記錄對(duì)測(cè)量值的影響而建立適當(dāng)?shù)木€性關(guān)系。除了已經(jīng)介紹的部件之外，圖2中示出的系統(tǒng)還可以包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和統(tǒng)一變槳 距控制器17。該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和統(tǒng)一變槳距控制器17基于由風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器提供 的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算表示要在風(fēng)輪機(jī)處設(shè)置的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器輸出信號(hào)以及表示要由 調(diào)節(jié)器15對(duì)每一個(gè)轉(zhuǎn)子槳葉設(shè)置的統(tǒng)一槳距的控制器輸出信號(hào)。統(tǒng)一槳距表示要對(duì)每一 個(gè)轉(zhuǎn)子槳葉設(shè)置的槳距角對(duì)每一個(gè)轉(zhuǎn)子槳葉都是一致的。這樣的統(tǒng)一變槳距控制具體地用 于風(fēng)輪機(jī)的有效功率控制。
還是如圖2中所示，可選的調(diào)度模塊19可以存在用于估計(jì)器和控制器在工作點(diǎn)上 的調(diào)度。在實(shí)際應(yīng)用中，獨(dú)立變槳距控制在有風(fēng)條件下開始，其中風(fēng)輪機(jī)的輸出功率被限制 為機(jī)械的額定功率以防止結(jié)構(gòu)和電子硬件的過載。如果風(fēng)速低于某確定閾值，那么輸出功 率將小于額定功率以使過載不會(huì)成為問題。調(diào)度單元19促使控制器13在風(fēng)速足夠高時(shí)執(zhí) 行控制動(dòng)作以使風(fēng)輪機(jī)被以限制為額定功率的輸出功率驅(qū)動(dòng)。圖2中示出的控制器13和調(diào)節(jié)器15的具體結(jié)構(gòu)在圖4中示出。這種具體結(jié)構(gòu)允 許將控制信號(hào)針對(duì)未建模的調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性例如槳距角變化率進(jìn)行校正。附圖示出了控制 器13、槳葉調(diào)節(jié)器15以及表示圖2中的風(fēng)輪機(jī)1、傳感器3、狀態(tài)估計(jì)器5、動(dòng)態(tài)模型單元7 和信號(hào)發(fā)生器9的組合的方塊27。由槳葉調(diào)節(jié)器15輸出的控制信號(hào)被輸送至方塊27并且 在此具體輸送至風(fēng)輪機(jī)1。另外，圖4中示出的控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)器模型單元25，其被并行連接至調(diào)節(jié)器15。 控制器13的控制器輸出信號(hào)也被輸送至調(diào)節(jié)器模型單元25，其包括調(diào)節(jié)器的模型并且其 在控制器輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上仿制出模擬的控制信號(hào)。改進(jìn)的控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括差分功能單元29，其被連接至槳葉調(diào)節(jié)器15的輸出 端以及被連接至調(diào)節(jié)器模型單元25的輸出端。差分功能單元接收控制信號(hào)和模擬控制信 號(hào)，并且從控制信號(hào)中減去模擬控制信號(hào)。由此得出的差分隨后被作為輸入信號(hào)反饋至控 制器13。通過這種辦法可以在控制系統(tǒng)中將未知的調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性和變化率限制考慮在 內(nèi)。已經(jīng)參照?qǐng)D2和圖3在獨(dú)立槳葉空氣動(dòng)力控制的環(huán)境中詳細(xì)介紹了本發(fā)明。但是， 本發(fā)明也可以在變槳距伺服控制和疲勞損傷估計(jì)的環(huán)境中實(shí)施。在此情況下，參照?qǐng)D2介 紹的控制器13和槳葉調(diào)節(jié)器15將分別由適當(dāng)?shù)目刂破骰蛘{(diào)節(jié)器或適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)應(yīng)用代替。
本發(fā)明實(shí)施例中介紹的示例表現(xiàn)了可以通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的示范性優(yōu)點(diǎn)。在基于局 部空氣動(dòng)力條件控制槳葉空氣動(dòng)力特性的環(huán)境中使用本發(fā)明得到了簡單、有效的控制器， 降低了結(jié)構(gòu)中的載荷并且能夠考慮到非線性的槳距調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性和失速的動(dòng)態(tài)特性。與 直接測(cè)量流速相關(guān)的問題能夠得以避免。在本發(fā)明被用于變槳距伺服控制環(huán)境中的情況下，這種控制的精度可以通過獲知 作用在變槳軸承上的干擾轉(zhuǎn)矩而得以改善。測(cè)量載荷或槳葉內(nèi)的位移并不是必須的，因?yàn)?這些值可以根據(jù)其他信號(hào)進(jìn)行估計(jì)。在本發(fā)明被用于疲勞損傷估計(jì)環(huán)境中的情況下，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)的載荷變得可行而不 用直接測(cè)量載荷。用作對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的備份，該實(shí)施例在傳感器故障的情況下提高了可 靠性并用作診斷工具以辨識(shí)此類故障。在沒有直接測(cè)量具體載荷的應(yīng)用中，該實(shí)施例擴(kuò)展 了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能力。通過已介紹的實(shí)施例已經(jīng)證明本發(fā)明在多種控制和監(jiān)測(cè)環(huán)境下都是有利的。但是，沒有具體介紹的本發(fā)明的更多變形也是可能的。例如，輸入給估計(jì)器的信號(hào)可以用任意 合適的方式進(jìn)行預(yù)調(diào)制。另外，動(dòng)態(tài)模型可以可選地包括描述發(fā)電機(jī)尾流的狀態(tài)。動(dòng)態(tài)模 型還可以由多個(gè)動(dòng)態(tài)模型代替，每一個(gè)都具有不同的建模假設(shè)。估計(jì)器因此可以由一系列 狀態(tài)估計(jì)器代替，其中每一個(gè)估計(jì)器根據(jù)相同的輸入信號(hào)集合估計(jì)出不同模型的狀態(tài)。隨 后通過分析對(duì)估計(jì)器的信號(hào)輸入和利用每一個(gè)估計(jì)器得到的相同信號(hào)估計(jì)值之間的剩余 誤差來選擇指定時(shí)刻合適的一個(gè)或多個(gè)模型。而且，在應(yīng)用會(huì)生成控制信號(hào)的情況下，這些 控制信號(hào)可以可選地通過調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)模型或者通過非線性動(dòng)態(tài)模型被反饋給估計(jì)器。 測(cè)得的控制輸入也可以被反饋給估計(jì)器。
權(quán)利要求
一種為與裝置(1)相關(guān)的控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用(13)提供至少一種輸入傳感器信號(hào)的方法，包括以下步驟-基于在裝置(1)處測(cè)得的至少一種參量提供至少一種實(shí)際傳感器信號(hào)；-提供裝置的至少一種動(dòng)態(tài)模型；-利用動(dòng)態(tài)模型至少在至少一種傳感器信號(hào)的基礎(chǔ)上估計(jì)狀態(tài)；-通過由估計(jì)的狀態(tài)計(jì)算裝置處的至少一種局部條件以由估計(jì)的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號(hào)以及由至少一種局部條件建立起至少一種虛擬傳感器信號(hào)；和-提供至少一種虛擬傳感器信號(hào)作為用于控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用(13)的至少一種輸入傳感器信號(hào)，其特征在于-裝置是風(fēng)輪機(jī)(1)，-動(dòng)態(tài)模型包括風(fēng)輪機(jī)(1)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性表示及其與風(fēng)切變和/或風(fēng)輪機(jī)尾流的相互作用，-估計(jì)的狀態(tài)是風(fēng)輪機(jī)(1)的風(fēng)切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)；以及-控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用是以下情況中的一種(a)基于以局部流動(dòng)條件為基礎(chǔ)的空氣動(dòng)力輸入的槳葉空氣動(dòng)力控制(13)，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示局部的風(fēng)向條件；(b)基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺服控制，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示軸承力和/或軸承力矩；(c)基于長期載荷的疲勞損傷估計(jì)器，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示風(fēng)輪機(jī)(1)內(nèi)的載荷。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一種局部條件的計(jì)算是基于狀態(tài)之間的非線性關(guān)系。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中至少一種局部條件的計(jì)算是基于狀態(tài) 之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。
4.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中至少一種局部條件的計(jì)算是基于由狀 態(tài)圍繞其穩(wěn)態(tài)值的擾動(dòng)分析給出的線性關(guān)系。
5.如權(quán)利要求2至4中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中至少一種局部條件的計(jì)算另外還 可以基于至少一種實(shí)際測(cè)量的結(jié)果。
6.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中至少一種輸出信號(hào)由控制和/或監(jiān) 測(cè)應(yīng)用(13)提供，并且其中估計(jì)狀態(tài)在至少一種實(shí)際傳感器信號(hào)和至少一種輸出信號(hào)的 基礎(chǔ)上進(jìn)行。
7.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中估計(jì)狀態(tài)包括估計(jì)未來狀態(tài)。
8 如權(quán)利要求7所述的方法，其中根據(jù)一種或多種未來的輸入情況來估計(jì)一組或多組 未來狀態(tài)。
9.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中估計(jì)狀態(tài)是基于遞歸線性濾波器。
10.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用是基 于以局部流動(dòng)條件為基礎(chǔ)的空氣動(dòng)力輸入的槳葉空氣動(dòng)力控制(13)，其中至少一種虛擬傳 感器信號(hào)表示局部的風(fēng)向條件；并且局部流動(dòng)是根據(jù)風(fēng)輪機(jī)(1)的估計(jì)的風(fēng)速分量和估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的矢量關(guān)系來計(jì)算的。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中虛擬傳感器信號(hào)表示估計(jì)的風(fēng)速和/或風(fēng)攻角。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中虛擬傳感器信號(hào)表示轉(zhuǎn)子槳葉前方的估計(jì)的風(fēng)速。
13.如權(quán)利要求1至9中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用是基于軸承 力和/或軸承力矩的變槳距伺服控制，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示軸承力和/或軸 承力矩，并且其中動(dòng)態(tài)模型進(jìn)一步包括槳葉扭轉(zhuǎn)的表示。
14.一種為與裝置(1)相關(guān)的控制和/或監(jiān)測(cè)設(shè)備提供至少一種輸入傳感器信號(hào)的設(shè) 備(10)，包括-包含裝置(1)的動(dòng)態(tài)模型的至少一種模型單元(7)，其被設(shè)計(jì)用于輸出裝置(1)的模 型表示；-至少一種狀態(tài)估計(jì)器(5)，其包含可連接至裝置(1)的傳感器(3)的輸出的傳感器信 號(hào)輸入，用于接收由所述傳感器(3)提供的實(shí)際傳感器信號(hào)，至少一種狀態(tài)估計(jì)器(5)被連 接至至少一種模型單元(7)，用于接收裝置(1)的模型表示，并被設(shè)計(jì)用于至少在至少一種 實(shí)際傳感器信號(hào)和裝置(1)模型表示的基礎(chǔ)上估計(jì)狀態(tài)并輸出所述估計(jì)的狀態(tài)；和-至少一種信號(hào)發(fā)生器(9)，其被連接至狀態(tài)估計(jì)器(5)，用于接收估計(jì)的狀態(tài)，信號(hào)發(fā) 生器被設(shè)計(jì)用于根據(jù)估計(jì)的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號(hào)，并包括可連接至控制和/ 或監(jiān)測(cè)設(shè)備(13)的輸出，用于輸出所述至少一種虛擬傳感器信號(hào)，其特征在于_裝置是風(fēng)輪機(jī)(1)，-動(dòng)態(tài)模型包括風(fēng)輪機(jī)(1)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性表示及其與風(fēng)切變和/或風(fēng)輪機(jī)尾流的相 互作用，-估計(jì)的狀態(tài)是風(fēng)輪機(jī)(1)的風(fēng)切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計(jì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)；以及-控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用是以下情況中的一種(a)基于以局部流動(dòng)條件為基礎(chǔ)的空氣動(dòng)力輸入的槳葉空氣動(dòng)力控制(13)，其中至少 一種虛擬傳感器信號(hào)表示局部的風(fēng)向條件；(b)基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺服控制，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表 示軸承力和/或軸承力矩；(c)基于長期載荷的疲勞損傷估計(jì)器，其中至少一種虛擬傳感器信號(hào)表示風(fēng)輪機(jī)(1) 內(nèi)的載荷。
15.一種控制設(shè)備，用于通過控制信號(hào)作用在裝置(1)的受控系統(tǒng)上，以便影響受控系 統(tǒng)的實(shí)際值，所述控制設(shè)備包括-控制器(13)，其被設(shè)計(jì)用于至少在實(shí)際值偏離設(shè)定值或參考值的基礎(chǔ)上生成和輸 出表示被生成用于受控系統(tǒng)的控制信號(hào)的控制器輸出信號(hào)，以便至少間接地影響所述實(shí)際 值；_調(diào)節(jié)器(15)，其被連接至控制器(13)，用于接收控制器輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)器(15)被設(shè)計(jì) 用于在控制器輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上生成和輸出所述控制信號(hào)；和_用于提供如權(quán)利要求14中所述的至少一種輸入傳感器信號(hào)的設(shè)備(10)，其被連接至 受控系統(tǒng)的至少一種傳感器(3)，用于接收由所述傳感器(3)提供的實(shí)際傳感器信號(hào)，其中虛擬傳感器信號(hào)是要被影響的實(shí)際值。
16.如權(quán)利要求15所述的控制設(shè)備，其進(jìn)一步包括-調(diào)節(jié)器模型單元(25)，其被連接至控制器(13)，用于接收控制器輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)器模 型單元(25)包含調(diào)節(jié)器模型并被設(shè)計(jì)用于在控制器輸出信號(hào)和調(diào)節(jié)器模型的基礎(chǔ)上生成 模擬控制信號(hào)，_差分功能單元(29)，其被連接至調(diào)節(jié)器(15)用于接收控制信號(hào)以及被連接至調(diào)節(jié)器 模型單元(25)用于接收模擬控制信號(hào)，并且其被設(shè)計(jì)用于生成和輸出表示控制信號(hào)和模 擬控制信號(hào)之間差值的差分信號(hào)；其中控制器(13)也被連接至差分功能單元(29)以接收差分信號(hào)，并且其中控制器 (13)被設(shè)計(jì)用于在差分信號(hào)以及實(shí)際值偏離設(shè)定值或參考值的基礎(chǔ)上生成和輸出所述控 制器輸出信號(hào)。
全文摘要
用于為控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用以及控制設(shè)備提供至少一種輸入傳感器信號(hào)的方法和設(shè)備。提供了一種為與裝置(1)相關(guān)的控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用(13)提供至少一種輸入傳感器信號(hào)的方法。該方法包括以下步驟基于在裝置(1)處測(cè)得的至少一種參量提供至少一種實(shí)際傳感器信號(hào)；提供裝置的至少一種動(dòng)態(tài)模型；利用動(dòng)態(tài)模型至少在至少一種傳感器信號(hào)的基礎(chǔ)上估計(jì)狀態(tài)；通過由估計(jì)的狀態(tài)計(jì)算裝置處的至少一種局部條件以由估計(jì)的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號(hào)以及由至少一種局部條件建立起至少一種虛擬傳感器信號(hào)；提供至少一種虛擬傳感器信號(hào)作為用于控制和/或監(jiān)測(cè)應(yīng)用(13)的至少一種輸入傳感器信號(hào)。
文檔編號(hào)G05B13/04GK101821689SQ200880111148
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者A·迪奧普, J·埃勒斯 申請(qǐng)人:西門子公司