Utafiti huu unapendekeza muundo wa udhibiti wa pembe ya pitch ya blade unaounganisha udhibiti wa utabiri wa LiDAR, udhibiti hai wa kukataa usumbufu (Active Disturbance Rejection Control, ADRC) na uboreshaji salama wa Bayesi wenye muktadha (Safe Contextual Bayesian Optimization, SCBO) ili kupunguza mabadiliko ya kasi ya rota na nguvu ya umeme yanayosababishwa na upepo wenye mtikisiko na mapigo ya ghafla ya upepo katika mitambo ya upepo ya baharini. Kasi ya upepo yenye ufanisi kwa rota ilikadiriwa kutokana na vipimo vya LiDAR, amri ya feedforward ikatolewa kabla upepo haujafika kwenye turbini, na vigezo vya bandwidth vya ADRC vikarekebishwa kwa SCBO inayotumia kasi ya upepo kama kigezo cha muktadha. Mbinu hiyo ilijaribiwa kwenye modeli ya turbini inayoitwa NREL 5 MW kwa usimulishaji shirikishi wa OpenFAST-MATLAB/Simulink. Katika hali ya upepo wenye mtikisiko wenye wastani wa 16 m/s, mikengeuko sanifu ya kasi ya rota, pembe ya pitch na nguvu ya jenereta kwa ADRC yenye feedforward iliripotiwa kuwa 0,2513 rpm, 2,8572° na 0,0821 MW, mtawalia. Hata hivyo, matokeo yanategemea usimulishaji pekee; makosa halisi ya vipimo vya LiDAR, hali za baharini, vifaa halisi vya turbini na maisha ya uchovu ya muda mrefu hayajathibitishwa kwa majaribio.

Wazo kuu la utafiti ni kutotegemea tu kujibu hitilafu ya kasi ya rota ambayo tayari imetokea, bali kutumia LiDAR kugundua mapema uwanja wa upepo takribani mita 150 mbele ya rota. Taarifa hii ya utabiri inalenga kufanya blade zielekezwe mapema zaidi kuelekea feather wakati ongezeko la upepo linakaribia; na kupunguza pembe ya pitch kwa wakati upepo unapopungua. Tabaka la feedback la ADRC hukadiria kutokuwa na uhakika kwa modeli na usumbufu uliobaki, huku SCBO ikibadilisha bandwidth za kidhibiti na kiangalizi kulingana na kasi ya upepo bila kuvunja mipaka ya kasi ya rota na aktueta ya pitch.

Ikihesabiwa upya kutoka kwa thamani za Jedwali la 2, ADRC yenye feedforward ilipunguza mkengeuko sanifu wa kasi ya rota kwa takribani %22,17, mkengeuko sanifu wa pembe ya pitch kwa %12,68 na mkengeuko sanifu wa nguvu ya jenereta kwa %32,37 ikilinganishwa na kidhibiti cha msingi cha PI chenye gain scheduling. Ikilinganishwa na ADRC pekee, kuongeza feedforward kulipunguza mkengeuko sanifu wa kasi ya rota kwa takribani %8,75, mkengeuko sanifu wa pembe ya pitch kwa %3,59 na mkengeuko sanifu wa nguvu kwa %15,62. Mahesabu haya yametokana na thamani ghafi za jedwali; baadhi ya kauli za asilimia zilizotolewa na watafiti katika maandishi hazilingani kikamilifu na jedwali.

Kwa mtazamo wa Türkiye: Mbinu hii inaweza kutathminiwa kwa utafiti wa kuhifadhi ubora wa nguvu, kuzuia overspeed ya rota na kupunguza mwendo usio wa lazima wa aktueta ya pitch chini ya mabadiliko makubwa ya upepo katika miradi ya baadaye ya nishati ya upepo wa baharini ya Türkiye katika Bahari Nyeusi, Marmara na Bahari ya Aegean. Ili itumike Türkiye, lazima zifanywe majaribio ya hardware-in-the-loop kwa kutumia miundo ya ndani ya mtikisiko wa upepo, vipimo vya LiDAR vya pwani na bahari wazi, mwingiliano wa mawimbi na mwendo, aina ya jukwaa, mahitaji ya gridi na mfumo halisi wa pitch wa turbini itakayotumika. Utafiti huu hauwezi kutumiwa kuhitimisha kuwa tayari kuna programu kamili ya udhibiti inayoweza kutumiwa moja kwa moja katika shamba la upepo wa baharini litakalojengwa Türkiye, ongezeko la uhakika la maisha ya vifaa au matokeo ya usalama yaliyoidhinishwa.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Katika eneo la uendeshaji lililo juu ya kasi ya upepo iliyokadiriwa ya turbini ya upepo, lengo kuu ni kuweka kasi ya rota na nguvu ya jenereta karibu na thamani zilizokadiriwa. Upepo unapoongezeka, pembe ya pitch ya blade huongezwa ili kupunguza nishati ya aerodinamiki inayokamatwa na rota. Upepo unapopungua, pembe ya pitch hupunguzwa ili kuendelea kukamata nishati.

Kidhibiti cha kawaida cha feedback hakijui mabadiliko ya upepo mapema moja kwa moja. Kwanza kasi ya rota au nguvu hubadilika, sensa hupima mabadiliko hayo, hitilafu huhesabiwa, kisha mfumo wa pitch huanza kufanya kazi. Kwa sababu ya ucheleweshaji wa kipimo, hesabu na aktueta ya kimitambo, katika pigo la ghafla la upepo kasi ya rota inaweza kuwa tayari imeongezeka kwa muda. Tatizo ambalo utafiti unalenga kutatua ni kupunguza ucheleweshaji huu kwa taarifa ya upepo unaokaribia inayotolewa na LiDAR.

Utafiti unaunganisha tabaka zipi za udhibiti?

Muundo uliopendekezwa una tabaka tatu zinazokamilishana:

1. Tabaka la feedforward la LiDAR: Hupima uwanja wa upepo mbele ya rota na kutoa mapema amri ya pembe ya pitch kwa mabadiliko yanayokaribia.
2. Tabaka la feedback la ADRC: Hurekebisha hitilafu ya kasi ya rota na kujaribu kukadiria usumbufu wa aerodinamiki, kimitambo na wa nje ambao haujaigwa kikamilifu kwa kutumia kiangalizi cha hali kilichopanuliwa.
3. Tabaka la urekebishaji la SCBO: Huchagua bandwidth za kidhibiti na kiangalizi cha ADRC kulingana na kasi ya upepo ya sasa na vikwazo vya usalama.

Katika mchoro wa block uliounganishwa wa Kielelezo cha 11, njia ya LiDAR, njia ya ADRC na uboreshaji salama wa Bayesi zimeonyeshwa katika kitanzi kimoja cha udhibiti. Utabiri wa LiDAR hutoa sehemu ya marejeo ya pitch, huku ADRC ikirekebisha hitilafu iliyobaki ya kasi ya rota. SCBO hutumia matokeo ya tathmini ya utendaji na usalama kuamua vigezo vinavyofaa vya bandwidth.

Modeli ya aerodinamiki ya turbini ya upepo iliundwaje?

Utafiti ulitumia turbini yenye blade tatu, mhimili mlalo, kasi inayobadilika na pitch inayobadilika. Nguvu ya aerodinamiki inayokamatwa na rota kutoka kwa upepo ilielezwa kwa uhusiano wa msingi ufuatao:

\[ P_a = \frac{1}{2}\rho \pi R^2 v^3 C_p(\beta,\lambda) \]

• P_a, ni nguvu ya aerodinamiki inayokamatwa na rota na huonyeshwa kwa watt.
• ρ, ni msongamano wa hewa na huonyeshwa kwa kg/m³.
• R, ni radius ya rota na ni mita 63 kwa modeli ya utafiti.
• v, ni kasi ya upepo kwenye ndege ya rota na huonyeshwa kwa m/s.
• C_p, ni mgawo wa nguvu.
• β, ni pembe ya pitch ya blade na huonyeshwa kwa digrii.
• λ, ni uwiano wa kasi ya ncha ya blade.

Nguvu ya tatu ya kasi ya upepo katika uhusiano wa nguvu ndiyo sababu kuu kwamba mabadiliko madogo ya kasi ya upepo yanaweza kuleta mabadiliko makubwa zaidi ya nguvu ya aerodinamiki. Udhibiti wa pitch hutumiwa hasa juu ya kasi iliyokadiriwa ili kudhibiti uhusiano huu wenye nguvu kati ya upepo na nguvu.

Mienendo ya rota iliigwa katika utafiti kwa namna ifuatayo:

\[ J\dot{\Omega} = T_a(\Omega,\beta,v) - iT_g \]

• J, ni inersia sawia ya mzunguko ya rota na mfumo wa uhamishaji nguvu.
• Ω, ni kasi ya pembe ya rota.
• T_a, ni torati ya aerodinamiki.
• T_g, ni torati ya jenereta.
• i, ni uwiano wa gearbox.

Torati ya aerodinamiki iliandikwa kwa kutumia mgawo wa nguvu kama ifuatavyo:

\[ T_a = \frac{1}{2}\rho \pi R^3 v^2\frac{C_p(\beta,\lambda)}{\lambda} \]

Modeli inadhania kuwa rota na mfumo wa uhamishaji nguvu zimeunganishwa kwa ugumu, na inapuuza mzunguko wa juu ya mnara, torsion ya shaft ya uhamishaji na modi za juu za kupinda za miundo. Dhana hizi hurahisisha usanifu wa udhibiti, lakini haziwakilishi tabia zote za aeroelastiki na hidrodinamiki za turbini halisi ya baharini.

LiDAR hupimaje upepo mapema?

LiDAR iliyowekwa kwenye nacelle katika utafiti hutumia kwa dhana athari ya optiki ya Doppler kupima vipengele vya kasi ya upepo katika mwelekeo wa miale mbele ya rota. Mfumo ulifafanuliwa kwa jiometri ya skani yenye miale minne katika ndege mbili. Pembe ya ufunguzi mlalo ya miale ilitolewa kama α = 15°, na pembe ya ufunguzi wima kama θ = 7,5°.

Kutokana na kasi za mstari V_los1 na V_los2 zilizopimwa na miale miwili ya juu, vipengele vya kando na vya longitudinal hupatikana kwa takribani mahusiano yafuatayo:

\[ v_1 = \frac{V_{los1}-V_{los2}}{2\sin\alpha\cos\theta} \]

\[ u_1 = \frac{V_{los1}+V_{los2}}{2\cos\alpha\cos\theta} \]

\[ V_{up} = \sqrt{u_1^2+v_1^2} \]

Utaratibu huo huo hutumiwa kwa miale ya tatu na ya nne ili kukokotoa thamani ya V_down ya ndege ya chini. Kasi ya Upepo Yenye Ufanisi kwa Rota (Rotor Effective Wind Speed, REWS) huundwa kutoka kwa wastani wa uzani au wastani wa kawaida wa vipimo vya juu na chini.

Kielelezo cha 3 kinaonyesha ujazo wa vipimo wa miale minne mbele ya rota, na Kielelezo cha 4 kinaonyesha mfululizo wa kasi katika mwelekeo wa miale minne kwenye uwanja wa upepo wenye mtikisiko uliotengenezwa na TurbSim. Utafiti unatumia dhana ya usawa wa ndani wa mtiririko wa anga na dhana ya Taylor ya mtikisiko uliogandishwa. Dhana hii inakubali kwamba muundo wa upepo uliopimwa huhifadhi umbo lake kuu unapohamishwa hadi kwenye rota.

Kwa nini muda wa utabiri hautumiki moja kwa moja?

Kwa sababu LiDAR hupima upepo katika umbali fulani mbele ya rota, huchukua muda kwa wingi wa hewa uliopimwa kufika kwenye rota. Muda wa utabiri ulihesabiwa kwa uhusiano ufuatao:

\[ T_{pre} = \frac{d_{pre}}{v_{avg}} \]

• d_pre, ni umbali kati ya kituo cha kipimo cha LiDAR na ndege ya rota.
• v_avg, ni kasi ya wastani ya upepo.
• T_pre, ni muda unaokadiriwa kwa upepo kufika kwenye rota.

Kwa kuwa aktueta ya pitch ina time constant yake ya kimitambo, LiDAR ina muda wa skani na kichujio cha data kina ucheleweshaji, ishara ya upepo haipelekwi moja kwa moja kwenye mfumo wa udhibiti. Ucheleweshaji wa buffer ulifafanuliwa katika utafiti kama ifuatavyo:

\[ T_{buffer} = \frac{d_{pre}}{v_{avg}} - 0{,}5T_{scan} - T_{filter} - \tau \]

• T_scan, ni ucheleweshaji wa skani ya LiDAR.
• T_filter, ni ucheleweshaji wa kuchuja data.
• τ, ni time constant ya aktueta ya pitch.

Lengo la buffer hii ni kuoanisha mwendo wa blade na wakati halisi ambao upepo unafika kwenye ndege ya rota. Ikiwa ucheleweshaji umewekwa vibaya, amri ya pitch inaweza kutekelezwa mapema sana au kuchelewa sana, na faida ya feedforward inaweza kupungua.

Pembe ya pitch ya feedforward iliundwaje?

Kidhibiti cha feedforward kilibuniwa kufanya kazi katika eneo la nguvu thabiti lililo juu ya kasi ya upepo iliyokadiriwa. Watafiti walifanya usimulishaji wa hali tulivu kwa vipindi vya 0,1 m/s kutoka kasi ya upepo iliyokadiriwa hadi kasi ya kuzima.

Katika kila kasi ya upepo, kidhibiti cha msingi cha PI chenye gain scheduling kilitumika kutafuta pembe ya pitch ya usawa inayoweka nguvu ya jenereta karibu na thamani iliyokadiriwa. Kwa njia hii, seti ya data ya jozi za kasi ya upepo-pembe ya pitch iliundwa na curve ya polynomial ikalinganishwa na data hizo.

Kielelezo cha 8 kinaonyesha kuwa pembe ya pitch huongezeka kwa namna isiyo ya mstari kadiri kasi ya upepo inavyoongezeka. REWS iliyokokotolewa na LiDAR inapoingizwa kwenye curve hii, amri ya pitch ya feedforward β_ff hupatikana. Upepo unapoongezeka, fidia chanya ya pitch hutolewa ili kupunguza ukamataji wa nishati ya aerodinamiki; upepo unapopungua, pembe ya pitch hupunguzwa.

ADRC inatofautianaje na kidhibiti cha kawaida cha PI?

Udhibiti hai wa kukataa usumbufu unalenga kukadiria usumbufu wa nje usiojulikana na makosa ya modeli chini ya kigezo kimoja cha “usumbufu jumla”. Kwa njia hii, badala ya kuhitaji kujua kikamilifu modeli yote ya aerodinamiki, lengo ni kuutazama usumbufu ndani ya kitanzi na kuufidia.

Torati ya aerodinamiki ilikaribiwa karibu na sehemu ya uendeshaji kwa upanuzi wa Taylor kama ifuatavyo:

\[ \Delta T_a = \varepsilon\Delta\Omega + \gamma\Delta\beta + \eta\Delta v + h \]

• ε, inawakilisha unyeti wa torati ya aerodinamiki kwa kasi ya rota.
• γ, ni unyeti wa torati kwa pembe ya pitch.
• η, ni unyeti wa torati kwa kasi ya upepo.
• h, ni baki ya vipengele visivyo vya mstari vya daraja la juu.

Aktueta ya pitch iliigwa kama mfumo wa daraja la kwanza:

\[ \Delta\beta(s) = \frac{1}{\tau s+1}\Delta\beta_r(s) \]

Baada ya mabadiliko haya, mienendo ya kasi ya rota ilipunguzwa hadi muundo sanifu ufuatao kwa ADRC:

\[ \Delta\ddot{\Omega} = b_0\Delta\beta_r + f \]

Hapa b₀ ni gain inayokadiriwa ya udhibiti, na f ni usumbufu jumla unaojumuisha mabadiliko ya upepo, makosa ya uigaji, athari za torati ya jenereta na mabaki ya linearization.

Kiangalizi cha hali kilichopanuliwa hufanya nini?

Kiangalizi cha Hali Kilichopanuliwa cha Mstari (Linear Extended State Observer, LESO) kiliundwa kukadiria kwa wakati mmoja mabadiliko ya kasi ya rota, derivative ya kasi ya rota na usumbufu jumla. Hali zilifafanuliwa kama ifuatavyo:

\[ x_1 = \Delta\Omega,\quad x_2 = \Delta\dot{\Omega},\quad x_3 = f \]

Pole za kiangalizi ziliwekwa katika muundo wa tabia ufuatao kwa kutumia bandwidth ya kiangalizi ω_o:

\[ \det(sI-A-LC) = (s+\omega_o)^3 \]

ω_o inapoongezeka, kiangalizi kinatarajiwa kufuatilia usumbufu kwa kasi zaidi. Hata hivyo, thamani ya juu sana inaweza kukuza kelele ya vipimo au kusababisha matatizo ya unyeti wa kihesabu. Utafiti haukuchunguza trade-off hii ya kelele na utendaji chini ya kelele halisi ya LiDAR na sensa.

Pole za feedback ya hitilafu za kidhibiti zilirekebishwa kwa ω_c:

\[ s^2+k_2s+k_1 = (s+\omega_c)^2 \]

ω_c huamua kasi ya mwitikio wa kidhibiti. ω_c kubwa inaweza kutoa amri ya pitch kwa haraka zaidi; lakini mwendo wa aktueta, mzigo wa kimitambo na kikomo cha kasi vinaweza kuongezeka.

Curve ya S inalindaje aktueta ya pitch?

Utafiti uliongeza kikomo cha wasifu wa kasi wenye umbo la S kwenye amri ya pitch. Amri inapoanza, kasi ya pitch huongezwa hatua kwa hatua kutoka sifuri hadi kasi ya juu inayoruhusiwa, kisha hupunguzwa tena hadi sifuri inapokaribia pembe lengwa.

Kielelezo cha 10 kinaonyesha awamu sita zenye kuongeza kasi, kasi thabiti, kupunguza kasi na kutulia kwenye lengo. Mbinu hii inalenga kupunguza mshtuko wa kimitambo unaoweza kusababishwa na amri za ghafla za hatua na kiwango cha mabadiliko ya kuongeza kasi kinachoitwa jerk. Hata hivyo, utafiti haukukokotoa moja kwa moja uchovu wa bearing au maisha halisi ya aktueta.

Uboreshaji salama wa Bayesi wenye muktadha hurekebisha nini?

SCBO huboreshwa bandwidth mbili kuu za ADRC:

\[ \mathbf{x} = [\omega_c,\omega_o]^T \]

Kasi ya upepo v ilifafanuliwa kama kigezo cha muktadha z. Lengo ni kupata vigezo vinavyopunguza gharama ya utendaji katika kila hali ya upepo bila kuvunja mipaka ya usalama:

\[ \mathbf{x}^* = \arg\min_{\mathbf{x}\in X}J(\mathbf{x};z) \]

\[ \Pr(g_i(\mathbf{x};z)\leq C_i)\geq 1-\delta \]

Kwa kuwa δ = 0,05 ilichaguliwa, algoritimu inalenga kutathmini vigezo ambavyo, kulingana na modeli yake ya uwezekano, vinatimiza vikwazo kwa angalau %95 ya uhakika katika kila hatua ya uamuzi. Kiwango hiki cha uhakika si cheti cha programu wala dhamana ya usalama wa turbini halisi; kinategemea usahihi wa modeli ya Gaussian process na data za usimulishaji.

Gaussian process na seti salama hufanyaje kazi?

Gaussian Process (GP) hukaribia uhusiano usiojulikana kati ya vigezo vya kidhibiti na utendaji kwa modeli mbadala ya uwezekano. Kwa kila nukta mpya ya vigezo, hukadiria wastani wa utendaji unaotarajiwa na kutokuwa na uhakika kwa modeli.

Wastani wa posterior katika nukta mpya ya swali ulitolewa katika utafiti kama ifuatavyo:

\[ \mu_t(\mathbf{x}_*) = \mathbf{k}_t(\mathbf{x}_*)^T(K_t+\sigma_\omega^2I)^{-1}\mathbf{y}_t \]

Variance ya posterior ni:

\[ \sigma_t^2(\mathbf{x}_*) = k(\mathbf{x}_*,\mathbf{x}_*)-\mathbf{k}_t(\mathbf{x}_*)^T(K_t+\sigma_\omega^2I)^{-1}\mathbf{k}_t(\mathbf{x}_*) \]

Wastani unawakilisha utendaji unaotarajiwa wa udhibiti wa vigezo; variance inawakilisha ukosefu wa taarifa wa modeli katika eneo hilo. Algoritimu huweka nukta zinazotimiza vikwazo vya usalama kwa uwezekano wa kutosha ndani ya seti salama S_t na hutafuta tu ndani ya seti hiyo.

Nukta inayofuata ya vigezo huchaguliwa ili kupunguza lower confidence bound ndani ya seti salama:

\[ \mathbf{x}_t = \arg\min_{\mathbf{x}\in S_t}\left(\mu_{t-1}(\mathbf{x},z_t)-\beta_t\sigma_{t-1}(\mathbf{x},z_t)\right) \]

Kipengele cha kwanza huunga mkono kutumia maeneo mazuri yanayojulikana, na kipengele cha kutokuwa na uhakika huunga mkono kuchunguza maeneo salama ambayo bado hayajajaribiwa vya kutosha.

Muktadha ulihusishwaje na vigezo vya kidhibiti?

Utafiti ulitumia product kernel kutenganisha athari za vigezo vya ADRC na kasi ya upepo:

\[ k((\mathbf{x},z),(\mathbf{x}',z')) = k_X(\mathbf{x},\mathbf{x}')\otimes k_Z(z,z') \]

Squared exponential kernel ilitajwa kwa kernels za vigezo na muktadha. Ingawa muhtasari unataja kernel ya Automatic Relevance Determination (ARD), sehemu ya mbinu haikutoa wazi length scales za ARD wala thamani zake za nambari. Kwa hiyo, maelezo kamili ya utekelezaji wa kernel hayawezi kuzalishwa upya kutoka kwenye maandishi.

Gharama ya uboreshaji husawazisha malengo gani?

Gharama jumla hutathmini kwa pamoja ufuatiliaji wa kasi ya rota na mwendo wa mfumo wa pitch:

\[ J(\mathbf{x},z) = w_1\widetilde{J}_{speed}(\mathbf{x},z)+w_2\widetilde{J}_{pitch}(\mathbf{x},z) \]

• J̃_speed, ni hitilafu iliyosawazishwa ya ufuatiliaji wa kasi ya rota.
• J̃_pitch, ni gharama ya mwendo wa aktueta, ambayo kwa kawaida huonyeshwa kwa norm ya L₂ ya kasi ya pitch.
• w₁ = 0,5 na w₂ = 0,5 zilichaguliwa.

Uchaguzi huu wa uzito sawa hutathmini uthabiti wa kasi ya rota na matumizi ya aktueta kwa umuhimu sawa. Katika turbini halisi yenye gharama tofauti za matengenezo au mahitaji ya gridi, uzito unaweza kuhitaji kufafanuliwa upya.

SCBO ilitumia mipaka gani ya utafutaji na usalama?

Nafasi ya uboreshaji ilifafanuliwa katika utafiti kama ifuatavyo:

\[ 0{,}1 \leq \omega_c \leq 4 \]

\[ 1 \leq \omega_o \leq 25 \]

\[ 3\omega_c \leq \omega_o \]

Ili kuhakikisha kiangalizi kinafanya kazi kwa kasi kuliko kidhibiti, sharti liliwekwa kwamba ω_o iwe angalau mara tatu zaidi. Hata hivyo, sehemu ya usimulishaji iliandika ω_c = 4,15 kwa kidhibiti kilichorekebishwa kwa mkono. Thamani hii iko juu ya kikomo cha juu cha 4 rad/s katika nafasi ya utafutaji ya SCBO. Haikuelezwa kwa nini kidhibiti cha mkono kiliwekwa katika masafa tofauti.

Vikwazo vya usalama ni vifuatavyo:

• Kasi ya papo hapo ya rota haipaswi kuzidi %140 ya kasi ya rota iliyokadiriwa. Kulingana na kasi iliyokadiriwa ya 12,1 rpm katika Jedwali la 1, hii ni takribani 16,94 rpm.
• Pembe ya pitch lazima ibaki ndani ya mipaka ya mwendo wa kimitambo; hata hivyo, thamani ya nambari ya kikomo cha pembe haikutolewa.
• Kasi ya pitch haipaswi kuzidi 6°/s. Kikomo cha kimwili kilitajwa kuwa 8°/s, huku margin ya usalama ya 2°/s ikiachwa.

Mchoro wa seti salama unaonyesha nini?

Kielelezo cha 13 kinaonyesha maeneo salama ya vigezo katika iteration ya 1., 25. na 50. kwa kasi ya upepo ya 15 m/s. Maeneo ya bluu ni maeneo yanayochukuliwa kuwa salama, na maeneo meupe ni maeneo ambayo algoritimu bado haijathibitisha kuwa salama. Nukta nyekundu inaonyesha jozi ya vigezo iliyochaguliwa katika iteration husika.

Mwanzoni, eneo salama ni dogo na la kihafidhina. Nukta mpya zinapojaribiwa, kutokuwa na uhakika kwa GP hupungua na eneo linalotathminiwa kuwa salama hupanuka. Mchoro unaeleza jinsi algoritimu inavyofanya kazi; hata hivyo, hauonyeshi kuwa utafutaji salama umefanywa kwenye turbini halisi.

Bandwidth bora zilibadilikaje kadiri kasi ya upepo ilivyoongezeka?

Kielelezo cha 14 kinaonyesha kuwa bandwidth ya kiangalizi ω_o na bandwidth ya kidhibiti ω_c zote huongezeka pamoja na kasi ya upepo. Bandwidth ya kiangalizi huongezeka kwa kasi zaidi, na katika eneo la takribani zaidi ya 18 m/s, curve zote mbili hukaribia muundo unaobadilika polepole zaidi.

Watafiti wanaeleza tabia hii ya plateau kuwa bandwidth za juu zaidi huanza kusukuma kikomo cha kasi ya pitch badala ya kuongeza utendaji wa udhibiti. Ingawa grafu inaonyesha mwelekeo unaounga mkono tafsiri hii, haijaonyeshwa kuwa njia hiyo hiyo ya vigezo ingetokea chini ya uzito tofauti wa gharama au mipaka tofauti ya usalama.

Nini kilionekana katika jaribio la pigo la ghafla la upepo?

Katika usimulishaji wa Extreme Operating Gust (EOG) wenye hali ya awali ya 12 m/s, kipimo cha LiDAR kiligundua mabadiliko ya upepo kabla ya ndege ya rota. Kielelezo kinaonyesha kuwa ADRC yenye feedforward ilibadilisha pembe ya pitch mapema zaidi kuliko ADRC ya msingi.

Mwendo wa mapema wa pitch hupunguza kilele na mtikisiko wa kasi ya rota. Hata hivyo, thamani za kilele, settling time au integral ya hitilafu hazikuwekwa kwenye jedwali kwa kielelezo hiki. Kwa hiyo, ingawa matokeo ya kuona ni yenye nguvu kwa ubora, kiwango cha uboreshaji wa nambari hakiwezi kutolewa kwa uhakika kutoka kwenye utafiti.

SCBO-ADRC ilifanyaje katika jaribio la upepo wa hatua?

Kielelezo cha 15 kinaonyesha senario ambapo kasi ya upepo huongezeka kwa hatua kutoka 13 m/s hadi 19 m/s. Katika kidhibiti cha PI chenye gain scheduling, mitikisiko ya kasi ya rota inayodumu muda mrefu zaidi huonekana baada ya kila hatua. ADRC iliyorekebishwa kwa SCBO huleta kasi ya rota karibu na thamani iliyokadiriwa kwa haraka zaidi.

Katika grafu ya pembe ya pitch, SCBO-ADRC inaonekana kuelekea moja kwa moja zaidi kwenye kiwango kipya cha upepo, huku katika kidhibiti cha PI, hasa katika hatua za chini za upepo, mitikisiko ya kujirudia hujitokeza. Hata hivyo, jumla ya mraba wa hitilafu, overshoot ya juu au matumizi ya nishati ya aktueta hayakutolewa kwa jaribio hili.

Hali za jaribio la upepo wenye mtikisiko zilikuwa zipi?

Jaribio la upepo wenye mtikisiko lilifanywa kwa moduli ya InFlowWind ya OpenFAST. Nukta ya kipimo cha LiDAR iliwekwa mita 150 mbele ya ndege ya rota, na kasi ya wastani ya upepo ilichaguliwa kuwa 16 m/s.

Miundo minne ya udhibiti ililinganishwa:

• PI yenye gain scheduling
• PI yenye gain scheduling na feedforward
• ADRC
• ADRC yenye feedforward

Kielelezo cha 16 kinaonyesha kwa pamoja mfululizo wa muda wa kasi ya upepo, pembe ya pitch, kasi ya rota na nguvu ya jenereta. Curve ya ADRC yenye feedforward huweka hasa mitikisiko ya kasi ya rota na nguvu ndani ya bendi nyembamba zaidi katika hali ya mpito ya awali.

Matokeo ghafi ya Jedwali la 2 ni yapi?

Mkengeuko sanifu wa chini unaonyesha kuwa kigezo husika hubadilika kwa kiwango kidogo zaidi karibu na thamani iliyokadiriwa kadiri muda unavyopita. Kulingana na jedwali, ADRC yenye feedforward ilitoa mkengeuko sanifu wa chini zaidi kati ya mbinu nne kwa kasi ya rota na nguvu ya jenereta. Kwa pembe ya pitch, thamani ya chini zaidi ni 2,8423° kwa PI yenye feedforward; thamani ya ADRC yenye feedforward ni 2,8572°, ikiwa juu kwa takribani %0,52 pekee.

Ulinganisho uliokokotolewa kutoka kwa thamani za jedwali

Uwiano huu si asilimia zilizotolewa na watafiti kwenye maandishi, bali ni ulinganisho uliokokotolewa upya kutoka kwa thamani za Jedwali la 2. Katika maandishi ya utafiti, upungufu wa kasi ya rota na nguvu kwa ADRC umeelezwa kama `%15 na %25`, na kwa ADRC yenye feedforward kama `%16 na %23`. Kwa kuwa msingi wa ulinganisho uliotumiwa hauko wazi, uwiano huu hauwezi kuzalishwa upya kikamilifu kutoka kwenye jedwali.

Je, maisha ya aktueta yameongezwa kweli?

Fonksheni ya gharama ya utafiti huweka kikomo kwa kasi ya pitch, curve ya S hupunguza mwendo wa ghafla, na kikomo cha kasi cha 6°/s hutumika. Hatua hizi zinalenga kupunguza kiwango cha matumizi ya kimitambo.

Hata hivyo, utafiti haukuwasilisha spektra ya mzigo wa bearing, damage equivalent load, jumla ya uchovu ya Miner, uharibifu wa lubrication, matumizi ya nishati ya aktueta au hesabu ya maisha ya huduma kwa miaka. Kwa hiyo, hitimisho la “kuongeza maisha ya aktueta” si matokeo yaliyopimwa moja kwa moja, bali ni matarajio ya kihandisi yanayowezekana yanayotokana na mwendo wa pitch ulio laini na uliowekewa mipaka zaidi.

Ni nguvu zipi za utafiti?

• Utabiri wa LiDAR, uangalizi wa usumbufu na uboreshaji salama wa vigezo viliunganishwa katika usanifu mmoja wa udhibiti.
• Kasi ya upepo ilitumika moja kwa moja kama kigezo cha muktadha wa vigezo vya kidhibiti.
• Vikwazo vya usalama vilifafanuliwa kwa overspeed ya rota, pembe ya pitch na kasi ya pitch.
• Sampuli 10 za Latin hypercube zilitumika katika eneo salama kwa kuanzisha SCBO.
• Senario tofauti za usimulishaji, zikiwemo pigo la ghafla la upepo, upepo wa hatua na mtikisiko endelevu, zilitathminiwa.
• Usimulishaji shirikishi unaotegemea S-Function uliundwa kati ya OpenFAST na MATLAB/Simulink.
• Matokeo yaliwasilishwa si kwa grafu pekee bali pia kwa jedwali la mkengeuko sanifu kwa hali ya upepo wenye mtikisiko.

Ni mapungufu gani makuu ya utafiti?

• Utafiti ni preprint ambayo haijapitiwa na wahakiki.
• Uthibitishaji wote ulifanywa kwenye usimulishaji; hakuna jaribio la turbini halisi wala hardware-in-the-loop.
• Upotevu halisi wa ishara ya LiDAR, mvua, ukungu, spray ya bahari, mtetemo, kelele ya kipimo na kuzuiwa kwa miale havikuigwa.
• Mvunjiko wa dhana ya Taylor ya mtikisiko uliogandishwa na mabadiliko ya upepo wakati unapohama kutoka ndege ya kipimo hadi rota hayakuchunguzwa kwa kina.
• Mawimbi, mikondo, mwendo wa jukwaa linaloelea, moment ya msingi wa mnara na mizigo ya mizizi ya blade haikuripotiwa.
• Modeli inapuuza mzunguko wa mnara, torsion ya shaft ya uhamishaji na modi za juu za miundo.
• Utafutaji salama umeonyeshwa tu ndani ya mipaka ya modeli ya usimulishaji.
• Muda wa hesabu wa uboreshaji na mahitaji ya mfumo wa embedded wa wakati halisi hayakutolewa.
• Uzalishaji upya wa SCBO chini ya sampuli tofauti za mwanzo au random seeds haukuonyeshwa.
• Mbali na PI na ADRC, hakuna ulinganisho uliofanywa na model predictive control, H∞ control au mbinu nyingine za juu.
• Jedwali la 2 na viwango vya uboreshaji vya asilimia katika maandishi havilingani.
• Kuna matatizo ya kurudiwa na mpangilio katika namba za vielelezo na sehemu.
• Thamani ya ω_c iliyorekebishwa kwa mkono inazidi kikomo cha juu cha nafasi ya utafutaji ya SCBO kilichotajwa.
• Ingawa makala inasema ilitumia modeli ya NREL 5 MW, Jedwali la 1 linatoa nguvu iliyokadiriwa ya 5,25 MW.
• Taarifa za ufadhili, mgongano wa maslahi, kushiriki data na upatikanaji wa msimbo wa programu hazipo katika toleo hili.

Utafiti unaunga mkono nini?

• Katika mazingira ya usimulishaji, utabiri wa LiDAR unaweza kuamsha amri ya pitch ya ADRC kabla ya mabadiliko ya upepo yanayokaribia kufika.
• Urekebishaji wa SCBO unaotegemea kasi ya upepo unaweza kuunda muundo wa udhibiti unaobadilika zaidi kuliko ADRC yenye vigezo thabiti.
• ADRC yenye feedforward iliweka mkengeuko sanifu wa kasi ya rota na nguvu chini kuliko mbinu nyingine zilizochunguzwa katika hali ya upepo wenye mtikisiko wa wastani wa 16 m/s.
• Mbinu ya seti salama ya uwezekano inaweza kufanya utafutaji wa vigezo ndani ya vikwazo vilivyowekwa vya usimulishaji.

Utafiti hauthibitishi nini?

• Hauthibitishi kuwa utendaji huo huo wa udhibiti utapatikana katika turbini halisi ya upepo wa baharini.
• Hauonyeshi kuwa data ya LiDAR itakuwa ya kuaminika katika hali zote za hali ya hewa na bahari.
• Hauthibitishi kuwa maisha ya bearing ya pitch au aktueta yameongezeka kwa kiwango fulani.
• Hauonyeshi moja kwa moja kuwa mizigo ya blade, mnara, mfumo wa uhamishaji au jukwaa linaloelea imepungua.
• Hauthibitishi kuwa SCBO ni salama katika mfumo wa udhibiti wa turbini ulioidhinishwa.
• Hauonyeshi kuwa mbinu iliyopendekezwa inaweza kuhamishwa moja kwa moja kwa madaraja yote ya nguvu ya turbini na aina zote za majukwaa.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Aina ya utafiti

Utafiti ni kazi ya uigaji wa mfumo wa udhibiti wa usahihi wa juu na usimulishaji shirikishi isiyojumuisha jaribio la kimwili. Modeli ya turbini ya OpenFAST iliendeshwa na vidhibiti ndani ya MATLAB/Simulink kupitia kiolesura cha S-Function.

Vigezo vya modeli ya turbini iliyotumika

Mipangilio ya LiDAR na feedforward

• Muundo wa skani wa miale minne na ndege mbili ulitumika.
• Pembe ya mlalo ya miale ilifafanuliwa kuwa 15°, na pembe ya wima 7,5°.
• Vipimo vya mwelekeo wa upepo vilipitishwa katika mchakato wa kuunganisha data na Kalman filtering.
• Katika jaribio la mtikisiko, nukta ya kipimo iliwekwa 150 m mbele ya rota.
• Curve ya pitch ya feedforward iliundwa kwa hatua za kasi ya upepo za 0,1 m/s.
• Udhibiti ulitumika hasa katika eneo la nguvu thabiti lililo juu ya kasi ya upepo iliyokadiriwa.

Vigezo vya ADRC vilivyorekebishwa kwa mkono

• Bandwidth ya kiangalizi: ω_o = 14,63
• Bandwidth ya kidhibiti: ω_c = 4,15

Ilielezwa kuwa thamani hizi ziliamuliwa kwa urekebishaji wa mkono unaotegemea uzoefu wa kihandisi. Baadaye, SCBO iliunda ratiba inayobadilisha bandwidth kulingana na kasi ya upepo.

Mipangilio ya mwanzo na usalama ya SCBO

• Sampuli 10 za Latin hypercube zilichukuliwa kutoka eneo salama la vigezo kwa modeli ya awali ya GP.
• Hyperparameters za kernel zilirekebishwa kwa maximum log-marginal likelihood.
• Uzito wa hitilafu ya kasi ya rota na mwendo wa pitch ulichaguliwa sawa kuwa 0,5.
• Uwezekano wa hatari δ = 0,05 uliwekwa.
• Kikomo cha usalama cha kasi ya rota ni %140 ya kasi iliyokadiriwa.
• Kikomo cha kasi ya pitch ni 6°/s, na kikomo cha kimwili kilichotajwa ni 8°/s.

Senario za usimulishaji

Matokeo makuu ya nambari

• Mkengeuko sanifu wa kasi ya rota kwa ADRC yenye feedforward: 0,2513 rpm.
• Mkengeuko sanifu wa pembe ya pitch kwa ADRC yenye feedforward: 2,8572°.
• Mkengeuko sanifu wa nguvu ya jenereta kwa ADRC yenye feedforward: 0,0821 MW.
• Mkengeuko sanifu wa kasi ya rota kwa PI ya msingi: 0,3229 rpm.
• Mkengeuko sanifu wa nguvu ya jenereta kwa PI ya msingi: 0,1214 MW.
• ADRC yenye feedforward ilipunguza mkengeuko sanifu wa kasi ya rota kwa takribani %22,17 dhidi ya PI ya msingi inapohesabiwa kutoka kwenye jedwali.
• ADRC yenye feedforward ilipunguza mkengeuko sanifu wa nguvu kwa takribani %32,37 dhidi ya PI ya msingi.
• PI yenye feedforward ilitoa thamani ya chini zaidi ya mkengeuko sanifu wa pembe ya pitch, 2,8423°.

Tathmini ya takwimu

Ingawa mikengeuko sanifu iliripotiwa katika utafiti, marudio huru ya usimulishaji, vipindi vya kujiamini, thamani za p au tofauti kati ya nyuga za upepo za nasibu havikutolewa. Kwa hiyo, tofauti za mkengeuko sanifu ni vipimo vya maelezo ya utendaji; hazipaswi kutafsiriwa kama matokeo ya umuhimu wa kitakwimu.

Uthibitishaji unaohitajika kwa mpito kwenda mfumo halisi

• Usimulishaji wa Monte Carlo wenye viwango tofauti vya mtikisiko na random seeds nyingi za TurbSim
• Uigaji wa kelele ya kipimo cha LiDAR, upotevu wa data na kuzorota kwa mwonekano
• Kuongeza mawimbi, mikondo na mwendo wa jukwaa linaloelea kwenye modeli ya pamoja
• Kutathmini mizigo ya mizizi ya blade, msingi wa mnara na mfumo wa uhamishaji
• Kupima muda wa hesabu wa wakati halisi na mzigo wa processor wa kidhibiti
• Majaribio ya hardware-in-the-loop ya aktueta ya pitch na kitengo cha udhibiti wa turbini
• Uthibitishaji kwa data halisi ya LiDAR na turbini katika eneo la majaribio la baharini
• Kukokotoa kwa nambari uharibifu wa uchovu na maisha ya aktueta
• Uidhinishaji wa usalama wa SCBO na mantiki salama ya kurudi katika hali za hitilafu

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina asili la utafiti: LiDAR Feedforward-based Pitch Active Disturbance Rejection Control for Offshore Wind Turbines using Safe Contextual Bayesian Optimization

Waandishi: WANG Hong-du; ZHI Ying-xin; LIU Xiao-ying; LI Ming; Fu Dongfei; Junrong Wang; WU Songhua.

Mpangilio wa waandishi: Orodha hapo juu inahifadhi mpangilio asili wa utafiti.

Taarifa ya mchango sawa: Toleo hili halina taarifa ya waandishi wenza wa kwanza au mchango sawa.

Mwandishi wa mawasiliano: Toleo hili halina alama ya mwandishi wa mawasiliano wala barua pepe ya mawasiliano.

Taasisi:

• Ocean University of China, Engineering College, Qingdao 266100, China.
• Ocean University of China, College of Marine Technology, Qingdao 266100, China.

DOI:10.2139/ssrn.7202168

Jukwaa rasmi: SSRN.

Kiungo rasmi cha utafiti:Ukurasa wa utafiti wa SSRN

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Jarida: Hakuna taarifa ya jarida lililopitiwa na wahakiki au kukubaliwa na jarida kwa toleo hili.

Mchapishaji asili: Hakuna mchapishaji wa jarida lililopitiwa na wahakiki. Utafiti upo kwenye jukwaa la preprint la SSRN; jukwaa hili linaendeshwa na Elsevier.

Aina ya chanzo: Preprint ya uigaji wa nambari na usimulishaji shirikishi wa OpenFAST-MATLAB/Simulink kwa udhibiti wa turbini za upepo za baharini.

Hali ya uhakiki: Utafiti huu ni preprint ambayo haijapitiwa na wahakiki; matokeo yanapaswa kusomwa kwa kuzingatia kikomo hiki.

Ufadhili: Taarifa ya ufadhili haipo katika toleo hili.

Mgongano wa maslahi: Taarifa ya mgongano wa maslahi haipo katika toleo hili.

Upatikanaji wa data na msimbo: Hakuna kiungo cha upatikanaji kilichotolewa kwa data za usimulishaji, msimbo wa MATLAB/Simulink, faili za kuingiza za OpenFAST au msimbo wa utekelezaji wa SCBO.

Maelezo haya ya Kiswahili yameandaliwa baada ya kuchunguza maandishi ya utafiti uliopakiwa wenye kurasa 25, milinganyo ya hisabati, block za udhibiti, pseudocode ya algoritimu, grafu za seti salama, senario za upepo na majedwali ya matokeo ya nambari. Hakuna matokeo mapya kutoka nje ya utafiti yaliyoongezwa kwenye maudhui ya kisayansi. Ukaguzi wa vyanzo vya nje ulitumika tu kuthibitisha taarifa za utambulisho wa bibliografia kama rekodi ya SSRN, DOI na jukwaa la uchapishaji.

Kikomo muhimu zaidi cha utafiti ni kwamba matokeo yalipatikana katika mazingira ya OpenFAST-Simulink, si kwenye turbini halisi ya baharini. Makosa ya vipimo vya LiDAR, hali za baharini, ucheleweshaji wa vifaa, mizigo ya miundo, uchovu halisi wa aktueta na uidhinishaji wa mfumo wa udhibiti havikutathminiwa kwa majaribio. Aidha, kuna kutokulingana kati ya matokeo ya asilimia katika jedwali na maandishi, baadhi ya namba za vielelezo na sehemu, bandwidth ya mkono na kikomo cha utafutaji cha SCBO, pamoja na maelezo ya nguvu iliyokadiriwa ya turbini.