Ин таҳқиқот сохтори идоракунии кунҷи қадами парраҳоро пешниҳод мекунад, ки барои коҳиш додани тағйирёбии суръати ротор ва қувваи барқ дар турбинаҳои бодии баҳрӣ, ки аз шамоли турбулентӣ ва зарбаҳои ногаҳонии шамол ба вуҷуд меоянд, идоракунии пешбинишавандаи LiDAR, идоракунии фаъоли рафъи халалҳо (Active Disturbance Rejection Control, ADRC) ва оптимизатсияи бехатари контекстуалии Байесиро (Safe Contextual Bayesian Optimization, SCBO) муттаҳид мекунад. Аз ченкуниҳои LiDAR суръати самараноки шамоли ротор ҳисоб карда шуда, пеш аз расидани шамол ба турбина фармони пешхӯронӣ тавлид гардид ва параметрҳои паҳнои банди ADRC бо SCBO, ки суръати шамолро ҳамчун тағйирёбандаи контекстӣ истифода мебарад, танзим шуданд. Усул дар модели турбинае, ки NREL 5 MW номида мешавад, тавассути ҳамсимулятсияи OpenFAST-MATLAB/Simulink санҷида шуд. Дар шароити шамоли турбулентӣ бо миёнаи 16 m/s, барои ADRC бо пешхӯронӣ инҳирофҳои стандартии суръати ротор, кунҷи қадам ва қувваи генератор мутаносибан 0,2513 rpm, 2,8572° ва 0,0821 MW гузориш шудаанд. Аммо натиҷаҳо танҳо ба симулятсия такя мекунанд; хатогиҳои воқеии ченкунии LiDAR, шароити баҳрӣ, таҷҳизоти физикии турбина ва умри дарозмуддати хастагӣ ба таври таҷрибавӣ тасдиқ нашудаанд.

Равиши асосии таҳқиқот ин аст, ки ба ҷойи танҳо вокуниш ба хатои аллакай ба вуҷудомадаи суръати ротор, майдони шамол дар тақрибан 150 метр пеши ротор бо LiDAR пешакӣ ошкор карда шавад. Ин иттилои пешбинӣ имкон медиҳад, ки ҳангоми наздик шудани афзоиши шамол парраҳо пештар ба ҳолати feather гузаранд ва ҳангоми кам шудани шамол кунҷи қадам сари вақт коҳиш ёбад. Қабати бозхӯрди ADRC номуайяниҳои модел ва халалҳои боқимондаро арзёбӣ мекунад, дар ҳоле ки SCBO паҳнои банди контроллер ва мушоҳидаро вобаста ба суръати шамол, бе вайрон кардани маҳдудиятҳои суръати ротор ва актуатори қадам, тағйир медиҳад.

Вақте ки аз арзишҳои Ҷадвали 2 аз нав ҳисоб карда мешавад, ADRC бо пешхӯронӣ нисбат ба контроллери асосии PI бо gain-scheduling инҳирофи стандартии суръати роторро тақрибан %22,17, инҳирофи стандартии кунҷи қадамро %12,68 ва инҳирофи стандартии қувваи генераторро %32,37 коҳиш додааст. Дар муқоиса танҳо бо ADRC, илова кардани пешхӯронӣ инҳирофи стандартии суръати роторро тақрибан %8,75, инҳирофи стандартии кунҷи қадамро %3,59 ва инҳирофи стандартии қувваро %15,62 коҳиш додааст. Ин ҳисобҳо аз арзишҳои хоми ҷадвал ҳосил шудаанд; баъзе ифодаҳои фоизии муҳаққиқон дар матн бо ҷадвал пурра мувофиқат намекунанд.

Аз нигоҳи Туркия: Усул метавонад барои таҳқиқоти нигоҳ доштани сифати қувва, маҳдуд кардани суръати зиёдатии ротор ва кам кардани ҳаракатҳои нолозими актуатори қадам дар шароити тағйирёбии баланди шамол дар лоиҳаҳои ояндаи энергияи бодии баҳрии Туркия дар Баҳри Сиёҳ, Мармара ва Эгей арзёбӣ шавад. Барои татбиқ дар Туркия бояд сохторҳои маҳаллии турбулентии шамол, ченкуниҳои LiDAR дар соҳил ва баҳри кушод, таъсири мутақобилаи мавҷ ва ҳаракат, навъи платформа, талаботи шабака ва санҷишҳои hardware-in-the-loop бо низоми қадами турбинаи воқеӣ анҷом дода шаванд. Аз ин таҳқиқот наметавон натиҷа гирифт, ки нармафзори омодаи идоракунӣ барои истифодаи мустақим дар нерӯгоҳи бодии баҳрии Туркия, афзоиши дақиқи умри таҷҳизот ё натиҷаи сертификатшудаи бехатарӣ аллакай мавҷуд аст.

Мушкилоти асосии таҳқиқот чист?

Дар минтақаи кори турбинаи бодӣ аз суръати номиналии шамол боло, ҳадафи асосӣ нигоҳ доштани суръати ротор ва қувваи генератор дар атрофи арзишҳои номиналӣ мебошад. Ҳангоми афзоиши шамол кунҷи қадами парраҳо зиёд карда шуда, энергияи аэродинамикие, ки ротор мегирад, кам карда мешавад. Ҳангоми паст шудани шамол бошад, барои идомаи гирифтани энергия кунҷи қадам коҳиш дода мешавад.

Контроллери классикии бозхӯрд тағйирёбии шамолро мустақиман пешакӣ намедонад. Аввал суръати ротор ё қувва тағйир меёбад, сенсор ин тағйиротро чен мекунад, хато ҳисоб мешавад ва баъд механизми қадам ба ҳаракат медарояд. Аз сабаби таъхирҳои ченкунӣ, ҳисоббарорӣ ва актуатори механикӣ, ҳангоми зарбаи ногаҳонии шамол суръати ротор метавонад муваққатан баланд шуда бошад. Мушкиле, ки таҳқиқот мехоҳад ҳал кунад, коҳиш додани ин таъхир бо иттилои шамоли наздикшаванда аз LiDAR мебошад.

Таҳқиқот кадом қабатҳои идоракуниро муттаҳид мекунад?

Сохтори пешниҳодшуда аз се қабати якдигарро пуркунанда иборат аст:

1. Қабати пешхӯронии LiDAR: Майдони шамолро дар пеши ротор чен карда, барои тағйироти наздикшаванда пешакӣ фармони кунҷи қадам тавлид мекунад.
2. Қабати бозхӯрди ADRC: Хатои суръати роторро ислоҳ мекунад ва кӯшиш мекунад халалҳои моделнашудаи аэродинамикӣ, механикӣ ва берунаро бо мушоҳидагари ҳолати васеъ арзёбӣ намояд.
3. Қабати танзими SCBO: Паҳнои банди контроллер ва мушоҳидагари ADRC-ро вобаста ба суръати ҷории шамол ва маҳдудиятҳои бехатарӣ интихоб мекунад.

Дар диаграммаи блокии муттаҳидшудаи Шакли 11, хати LiDAR, хати ADRC ва оптимизатсияи бехатари Байесӣ дар як ҳалқаи идоракунӣ нишон дода шудаанд. Пешбинии LiDAR як ҷузъи истинодии қадам тавлид мекунад, дар ҳоле ки ADRC хатои боқимондаи суръати роторро ислоҳ мекунад. SCBO бошад, бо истифода аз натиҷаҳои арзёбии иҷроиш ва бехатарӣ параметрҳои мувофиқи паҳнои бандро муайян мекунад.

Модели аэродинамикии турбинаи бодӣ чӣ гуна сохта шудааст?

Дар таҳқиқот турбинаи се-парра, меҳвари уфуқӣ, суръати тағйирёбанда ва қадами тағйирёбанда истифода шудааст. Қувваи аэродинамикие, ки ротор аз шамол мегирад, бо муносибати асосии зерин ифода шудааст:

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

• P_a, қувваи аэродинамикие мебошад, ки ротор мегирад ва бо watt ифода мешавад.
• ρ, зичии ҳаво буда, воҳидаш kg/m³ аст.
• R, радиуси ротор буда, барои модели таҳқиқот 63 метр аст.
• v, суръати шамол дар ҳамвории ротор буда, воҳидаш m/s аст.
• C_p, коэффисиенти қувва мебошад.
• β, кунҷи қадами парра буда, бо дараҷа ифода мешавад.
• λ, нисбати суръати нӯги парра мебошад.

Қувваи сеюми суръати шамол дар муносибати қувва сабаби асосӣ аст, ки тағйироти хурди суръати шамол метавонад дар қувваи аэродинамикӣ тағйироти калонтар ба вуҷуд орад. Идоракунии қадам махсусан аз суръати номиналӣ боло барои маҳдуд кардани ин робитаи қавии шамол-қувва истифода мешавад.

Динамикаи ротор дар таҳқиқот ба шакли зерин модел карда шудааст:

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

• J, инерсияи эквивалентии гардиши ротор ва низоми интиқол аст.
• Ω, суръати кунҷии ротор мебошад.
• T_a, моменти аэродинамикӣ мебошад.
• T_g, моменти генератор мебошад.
• i, нисбати қуттии фишанг мебошад.

Моменти аэродинамикӣ бо истифода аз коэффисиенти қувва чунин навишта шудааст:

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

Модел қабул мекунад, ки ротор ва низоми интиқол сахт пайвастанд ва гардиши болои манора, печиши меҳвари интиқол ва модҳои баландтартиби хамиши сохториро сарфи назар мекунад. Ин фарзияҳо тарҳи идоракуниро осон мекунанд, вале ҳамаи рафторҳои аэроэластикӣ ва гидродинамикии турбинаи воқеии баҳриро ифода намекунанд.

LiDAR шамолро чӣ гуна пешакӣ чен мекунад?

LiDAR-и дар nacelle насбшуда дар таҳқиқот ба таври консептуалӣ аз эффекти оптикии Доплер истифода бурда, ҷузъҳои суръати шамолро дар самти нур дар пеши ротор чен мекунад. Низом бо геометрияи сканкунии чор-нурӣ дар ду ҳамворӣ тавсиф шудааст. Кунҷи паҳншавии уфуқии нурҳо α = 15°, кунҷи паҳншавии амудӣ бошад θ = 7,5° дода шудааст.

Бо истифода аз суръатҳои хаттии V_los1 ва V_los2, ки ду нури болоии аввал чен мекунанд, ҷузъҳои паҳлӯӣ ва тулонӣ тақрибан бо муносибатҳои зерин гирифта мешаванд:

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

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

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

Ҳамин амал барои нурҳои сеюм ва чорум анҷом шуда, арзиши V_down барои ҳамвории поён ҳисоб карда мешавад. Суръати самараноки шамоли ротор (Rotor Effective Wind Speed, REWS) аз миёнаи вазндор ё одии ченкуниҳои боло ва поён ҳосил карда мешавад.

Дар Шакли 3 ҳаҷмҳои ченкунии чор нур дар пеши ротор ва дар Шакли 4 қаторҳои вақти суръати чор самти нур дар майдони шамоли турбулентии аз TurbSim тавлидшуда нишон дода шудаанд. Таҳқиқот барои ҷараёни атмосфера ҳамҷинсии маҳаллӣ ва фарзияи турбулентии яхкардаи Taylor-ро истифода мебарад. Ин фарзия қабул мекунад, ки сохтори шамоли ченшуда ҳангоми интиқол ба ротор шакли асосии худро нигоҳ медорад.

Чаро вақти пешбинӣ мустақиман истифода намешавад?

Азбаски LiDAR шамолро дар масофаи муайян дар пеши ротор чен мекунад, массаи ҳавои ченшуда барои расидан ба ротор вақт мегирад. Вақти пешбинӣ бо муносибати зерин ҳисоб шудааст:

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

• d_pre, масофаи байни маркази ченкунии LiDAR ва ҳамвории ротор мебошад.
• v_avg, суръати миёнаи шамол мебошад.
• T_pre, вақти тахминии расидани шамол ба ротор мебошад.

Азбаски актуатори қадам доимии вақти механикии худ, LiDAR вақти сканкунӣ ва филтри додаҳо таъхир доранд, сигнали шамол мустақиман ба низоми идоракунӣ дода намешавад. Дар таҳқиқот таъхири буфер чунин муайян шудааст:

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

• T_scan, таъхири сканкунии LiDAR мебошад.
• T_filter, таъхири филтркунии додаҳо мебошад.
• τ, доимии вақти актуатори қадам мебошад.

Ҳадафи ин буфер мувофиқ кардани ҳаракати парра бо вақти воқеии расидани шамол ба ҳамвории ротор аст. Агар таъхир нодуруст танзим шавад, фармони қадам метавонад хеле барвақт ё хеле дер иҷро шавад ва фоидаи пешхӯронӣ кам гардад.

Кунҷи қадами пешхӯронӣ чӣ гуна тавлид шудааст?

Контроллери пешхӯронӣ барои кор дар минтақаи қувваи доимӣ аз суръати номиналии шамол боло тарҳрезӣ шудааст. Муҳаққиқон аз суръати номиналии шамол то суръати қатъшавӣ бо фосилаи 0,1 m/s симулятсияҳои ҳолати устувор анҷом додаанд.

Дар ҳар суръати шамол, бо истифода аз контроллери асосии PI бо gain-scheduling кунҷи мувозинатии қадам, ки қувваи генераторро дар атрофи арзиши номиналӣ нигоҳ медорад, ҷустуҷӯ шудааст. Ҳамин тавр маҷмӯи додаҳои ҷуфтҳои суръати шамол-кунҷи қадам тавлид шуда, ба ин додаҳо каҷи полиномӣ мувофиқ карда шудааст.

Дар Шакли 8 дида мешавад, ки кунҷи қадам бо суръати шамол ба таври ғайрихаттӣ меафзояд. Вақте REWS-и аз LiDAR ҳисобшуда ба ин каҷ ворид мешавад, фармони қадами пешхӯронӣ β_ff ҳосил мешавад. Ҳангоми зиёд шудани шамол ҷуброни мусбати қадам тавлид шуда, гирифтани энергияи аэродинамикӣ кам карда мешавад, ҳангоми паст шудани шамол бошад кунҷи қадам коҳиш меёбад.

ADRC аз контроллери классикии PI чӣ фарқ дорад?

Идоракунии фаъоли рафъи халалҳо кӯшиш мекунад, ки халалҳои номаълуми беруна ва хатогиҳои моделро дар як тағйирёбандаи “халали умумӣ” арзёбӣ кунад. Ҳамин тавр, ба ҷойи зарурати донистани комили тамоми модели аэродинамикӣ, ҳадаф мушоҳида ва ҷуброни халал дар дохили ҳалқа мебошад.

Моменти аэродинамикӣ дар атрофи нуқтаи кор бо тавсеаи Taylor тақрибан ба шакли зерин оварда шудааст:

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

• ε, ҳассосияти моменти аэродинамикиро ба суръати ротор ифода мекунад.
• γ, ҳассосияти момент ба кунҷи қадам мебошад.
• η, ҳассосияти момент ба суръати шамол мебошад.
• h, бақияи аъзои ғайрихаттии баландтартиб мебошад.

Актуатори қадам ҳамчун низоми дараҷаи аввал модел шудааст:

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

Пас аз ин табдилҳо динамикаи суръати ротор барои ADRC ба сохтори стандартии зерин оварда шудааст:

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

Дар ин ҷо b₀ фоидаи тахминии идоракунӣ ва f халали умумӣ мебошад, ки тағйироти шамол, хатогиҳои моделсозӣ, таъсири моменти генератор ва бақияи хаттикунониро дар бар мегирад.

Мушоҳидагари ҳолати васеъ чӣ кор мекунад?

Мушоҳидагари хаттии ҳолати васеъ (Linear Extended State Observer, LESO) барои арзёбии ҳамзамони тағйироти суръати ротор, ҳосилаи суръати ротор ва халали умумӣ сохта шудааст. Ҳолатҳо чунин муайян шудаанд:

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

Қутбҳои мушоҳидагар бо истифода аз паҳнои банди мушоҳидагар ω_o ба сохтори характери зерин ҷойгир шудаанд:

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

Бо зиёд шудани ω_o интизор меравад мушоҳидагар халалҳоро тезтар пайгирӣ кунад. Аммо арзиши хеле баланд метавонад садои ченкуниро пурзӯр кунад ё мушкилоти ҳассосияти ададӣ ба вуҷуд орад. Таҳқиқот ин мувозинати садо-иҷроишро дар зери садои воқеии LiDAR ва сенсорҳо насанҷидааст.

Қутбҳои бозхӯрди хатои контроллер бо ω_c танзим шудаанд:

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

ω_c суръати вокуниши контроллерро муайян мекунад. ω_c-и калон метавонад фармони қадамро тезтар тавлид кунад; аммо ҳаракати актуатор, бори механикӣ ва маҳдудияти суръат метавонанд зиёд шаванд.

Каҷи S актуатори қадамро чӣ гуна муҳофизат мекунад?

Таҳқиқот ба фармони қадам маҳдудияти профили суръати S-шакл илова кардааст. Ҳангоми оғози фармон суръати қадам аз сифр тадриҷан то суръати максималии иҷозатшуда меафзояд ва ҳангоми наздик шудан ба кунҷи ҳадаф боз ба сифр кам мешавад.

Дар Шакли 10 шаш марҳила нишон дода шудааст, ки аз тезондан, суръати доимӣ, сусткунӣ ва ҷойгиршавӣ ба ҳадаф иборатанд. Ин равиш барои кам кардани зарбаи механикӣ ва суръати тағйирёбии шитоб, ки jerk номида мешавад ва метавонад аз фармонҳои ногаҳонии зинавӣ ба вуҷуд ояд, пешбинӣ шудааст. Аммо дар таҳқиқот хастагии подшипник ё умри воқеии актуатор бевосита ҳисоб нашудааст.

Оптимизатсияи бехатари контекстуалии Байесӣ чиро танзим мекунад?

SCBO ду паҳнои банди асосии ADRC-ро оптимизатсия мекунад:

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

Суръати шамол v ҳамчун тағйирёбандаи контекстӣ z муайян шудааст. Ҳадаф пайдо кардани параметрҳое мебошад, ки дар ҳар шароити шамол арзиши иҷроишро кам мекунанд, вале маҳдудиятҳои бехатариро вайрон намекунанд:

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

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

Азбаски δ = 0,05 интихоб шудааст, алгоритм мувофиқи модели эҳтимолии худ кӯшиш мекунад параметрҳоеро арзёбӣ кунад, ки дар ҳар қадами қарор маҳдудиятҳоро бо ҳадди ақал %95 эътимод иҷро мекунанд. Ин сатҳи эътимод сертификати нармафзор ё кафолати бехатарии турбинаи воқеӣ нест; он ба дурустии модели раванди Гаусс ва додаҳои симулятсия вобаста аст.

Раванди Гаусс ва маҷмӯи бехатар чӣ гуна кор мекунанд?

Раванди Гаусс (Gaussian Process, GP) робитаи номаълуми байни параметрҳои контроллер ва иҷроишро бо модели эҳтимолии суррогатӣ тақриб мекунад. Барои ҳар нуқтаи нави параметр ҳам миёнаи иҷроиши интизоршаванда ва ҳам номуайянии модел ҳисоб карда мешавад.

Миёнаи posterior дар нуқтаи нави дархост дар таҳқиқот чунин дода шудааст:

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

Варианси posterior бошад:

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

Миёна иҷроиши интизоршавандаи идоракунии параметрҳоро, варианси бошад камбуди иттилои моделро дар он минтақа ифода мекунад. Алгоритм нуқтаҳоеро, ки маҳдудиятҳои бехатариро бо эҳтимоли кофӣ иҷро мекунанд, ба маҷмӯи бехатари S_t дохил мекунад ва танҳо дар дохили ҳамин маҷмӯъ ҷустуҷӯ мекунад.

Нуқтаи навбатии параметр тавре интихоб мешавад, ки ҳадди поёнии эътимод дар маҷмӯи бехатарро камтарин кунад:

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

Ҷузъи аввал истифода аз минтақаҳои хуби маълумро, ҷузъи номуайянӣ бошад таҳқиқи минтақаҳои бехатареро, ки ҳанӯз ба қадри кофӣ санҷида нашудаанд, дастгирӣ мекунад.

Контекст ва параметрҳои контроллер чӣ гуна ба ҳам пайваст шудаанд?

Таҳқиқот барои ҷудо кардани таъсири параметрҳои ADRC ва суръати шамол ядрои ҳосилӣ истифода кардааст:

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

Барои ядроҳои параметр ва контекст ядрои экспоненсиалии квадратӣ нишон дода шудааст. Гарчанде дар хулоса аз ядрои Муайянкунии Автоматии Аҳамият (Automatic Relevance Determination, ARD) ёд мешавад, дар бахши усул миқёси дарозии ARD ё арзишҳои ададии онҳо ошкоро дода нашудаанд. Аз ин рӯ, тафсилоти пурраи татбиқи ядро аз матн бозсозӣ карда намешавад.

Арзиши оптимизатсия кадом ҳадафҳоро мувозинат мекунад?

Арзиши умумӣ пайгирии суръати ротор ва ҳаракати механизми қадамро якҷоя арзёбӣ мекунад:

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

• J̃_speed, хатои нормализатсияшудаи пайгирии суръати ротор мебошад.
• J̃_pitch, арзиши ҳаракати актуатор мебошад, ки одатан бо нормаи L₂-и суръати қадам ифода мешавад.
• w₁ = 0,5 ва w₂ = 0,5 интихоб шудаанд.

Ин интихоби вазнҳои баробар устувории суръати ротор ва истифодаи актуаторро бо аҳамияти яксон арзёбӣ мекунад. Дар турбинаи воқеӣ бо хароҷоти гуногуни нигоҳдорӣ ё талаботи шабака мумкин аст вазнҳо аз нав муайян карда шаванд.

SCBO кадом ҳудудҳои ҷустуҷӯ ва бехатариро истифода кардааст?

Фазои оптимизатсия дар таҳқиқот чунин муайян шудааст:

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

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

\[ 3\omega_c \leq \omega_o \]

Барои он ки мушоҳидагар аз контроллер тезтар кор кунад, шарти ҳадди ақал се маротиба калон будани ω_o гузошта шудааст. Аммо дар бахши симулятсия барои контроллери дастӣ танзимшуда ω_c = 4,15 навишта шудааст. Ин арзиш аз ҳадди болоии 4 rad/s дар фазои ҷустуҷӯи SCBO зиёд аст. Сабаби нигоҳ доштани контроллери дастӣ дар ҳудуди дигар шарҳ дода нашудааст.

Маҳдудиятҳои бехатарӣ инҳоянд:

• Суръати фаврии ротор набояд аз %140-и суръати номиналии ротор зиёд шавад. Тибқи суръати номиналии 12,1 rpm дар Ҷадвали 1, ин тақрибан 16,94 rpm мебошад.
• Кунҷи қадам бояд дар ҳудуди ҳаракати механикӣ бимонад; аммо арзиши ададии ҳудуди кунҷ дода нашудааст.
• Суръати қадам набояд аз 6°/s зиёд шавад. Ҳудуди физикӣ 8°/s нишон дода шуда, 2°/s захираи бехатарӣ гузошта шудааст.

Тасвири маҷмӯи бехатар чиро нишон медиҳад?

Дар Шакли 13 барои суръати шамоли 15 m/s минтақаҳои бехатари параметр дар итератсияҳои 1., 25. ва 50. нишон дода шудаанд. Минтақаҳои кабуд бехатар ҳисобшуда ва минтақаҳои сафед минтақаҳое мебошанд, ки алгоритм ҳанӯз бехатар будани онҳоро тасдиқ накардааст. Нуқтаи сурх ҷуфти параметрҳои дар итератсияи дахлдор интихобшударо нишон медиҳад.

Дар оғоз минтақаи бехатар хурд ва эҳтиёткорона аст. Бо санҷидани нуқтаҳои нав номуайянии GP кам мешавад ва минтақае, ки бехатар арзёбӣ мешавад, васеъ мегардад. Тасвир тарзи кори алгоритмро шарҳ медиҳад; аммо исбот намекунад, ки дар турбинаи воқеӣ ҷустуҷӯи бехатар анҷом шудааст.

Бо афзоиши суръати шамол паҳнои банди оптималӣ чӣ гуна тағйир ёфт?

Шакли 14 нишон медиҳад, ки ҳам паҳнои банди мушоҳидагар ω_o ва ҳам паҳнои банди контроллер ω_c бо суръати шамол меафзоянд. Паҳнои банди мушоҳидагар тезтар баланд мешавад ва дар минтақаи тақрибан аз 18 m/s боло ҳар ду каҷ ба сохтори сусттағйирёбанда наздик мешаванд.

Муҳаққиқон ин рафтори платоро чунин шарҳ медиҳанд, ки паҳнои банди баландтар дигар ба беҳбуди иҷроиши идоракунӣ намеорад, балки ба маҳдудияти суръати қадам наздик мешавад. Гарчанде график тамоюлеро нишон медиҳад, ки ин тафсирро дастгирӣ мекунад, нишон дода нашудааст, ки зери вазнҳои дигари арзиш ё маҳдудиятҳои бехатарӣ ҳамин роҳи параметрҳо пайдо мешавад.

Дар озмоиши зарбаи ногаҳонии шамол чӣ мушоҳида шуд?

Дар симулятсияи Зарбаи Шадиди Шамоли Корӣ (Extreme Operating Gust, EOG) бо шароити ибтидоии 12 m/s, ченкунии LiDAR тағйироти шамолро пеш аз ҳамвории ротор муайян кард. Дар шакл дида мешавад, ки ADRC бо пешхӯронӣ кунҷи қадамро нисбат ба ADRC-и асосӣ пештар тағйир медиҳад.

Ҳаракати барвақти қадам қулла ва ларзиши суръати роторро кам мекунад. Аммо барои ин шакл арзишҳои қулла, вақти ҷойгиршавӣ ё интеграли хато ба ҷадвал дароварда нашудаанд. Аз ин рӯ, гарчанде натиҷаи сифатии визуалӣ қавӣ аст, сатҳи беҳбудии ададиро аз таҳқиқот дақиқ баровардан мумкин нест.

Дар озмоиши шамоли зинавӣ SCBO-ADRC чӣ гуна рафтор кард?

Дар Шакли 15 сенарияе нишон дода шудааст, ки суръати шамол аз 13 m/s то 19 m/s ба таври зинавӣ зиёд мешавад. Дар контроллери PI бо gain-scheduling пас аз ҳар зина ларзишҳои тӯлонитари суръати ротор дида мешаванд. ADRC-и бо SCBO танзимшуда бошад суръати роторро зудтар ба атрофи арзиши номиналӣ меорад.

Дар графики кунҷи қадам дида мешавад, ки SCBO-ADRC ба сатҳи нави шамол мустақимтар ҳаракат мекунад, дар ҳоле ки дар контроллери PI, махсусан дар зинаҳои пасти шамол, ларзишҳои такрорӣ ба вуҷуд меоянд. Аммо барои ин озмоиш ҷамъбасти квадратҳои хато, зиёдаравии максималӣ ё масрафи энергияи актуатор дода нашудааст.

Шароити озмоиши шамоли турбулентӣ чӣ гуна буд?

Озмоиши шамоли турбулентӣ бо модули InFlowWind-и OpenFAST иҷро шудааст. Нуқтаи ченкунии LiDAR 150 метр пеш аз ҳамвории ротор ҷойгир карда шуда, суръати миёнаи шамол 16 m/s интихоб шудааст.

Чор сохтори идоракунӣ муқоиса шудаанд:

• PI бо gain-scheduling
• PI бо gain-scheduling ва пешхӯронӣ
• ADRC
• ADRC бо пешхӯронӣ

Дар Шакли 16 қаторҳои вақти суръати шамол, кунҷи қадам, суръати ротор ва қувваи генератор якҷоя нишон дода шудаанд. Каҷи ADRC бо пешхӯронӣ, махсусан дар режими гузариши аввал, ларзишҳои суръати ротор ва қувваро дар банди тангтар нигоҳ медорад.

Натиҷаҳои хоми Ҷадвали 2 кадомҳоянд?

Инҳирофи стандартии паст нишон медиҳад, ки тағйирёбандаи дахлдор бо мурури вақт дар атрофи арзиши номиналӣ камтар тағйир меёбад. Тибқи ҷадвал, ADRC бо пешхӯронӣ аз рӯи суръати ротор ва қувваи генератор дар байни чор усул пасттарин инҳирофи стандартиро ба даст овардааст. Аз рӯи кунҷи қадам пасттарин арзиш 2,8423° барои PI бо пешхӯронӣ аст; арзиши ADRC бо пешхӯронӣ 2,8572° буда, танҳо тақрибан %0,52 баландтар аст.

Муқоисаҳои аз арзишҳои ҷадвал ҳисобшуда

Ин нисбатҳо фоизҳои дар матни муҳаққиқон овардашуда нестанд, балки муқоисаҳое мебошанд, ки аз арзишҳои Ҷадвали 2 аз нав ҳисоб шудаанд. Дар матни таҳқиқот коҳиши суръати ротор ва қувва барои ADRC ҳамчун `%15 ва %25`, барои ADRC бо пешхӯронӣ бошад ҳамчун `%16 ва %23` ифода шудааст. Азбаски асоси кадом муқоиса истифода шудааст, равшан нест, ин нисбатҳоро аз ҷадвал пурра бозтавлид кардан мумкин нест.

Оё умри актуатор воқеан дароз карда шудааст?

Функсияи арзиши таҳқиқот суръати қадамро маҳдуд мекунад, каҷи S ҳаракатҳои ногаҳониро кам мекунад ва маҳдудияти 6°/s-ро татбиқ мекунад. Ин чораҳо барои коҳиш додани шиддати истифодаи механикӣ пешбинӣ шудаанд.

Бо вуҷуди ин, таҳқиқот спектри бори подшипник, бори эквивалентии зарар, ҷамъбасти хастагии Miner, бадшавии молидан, масрафи энергияи актуатор ё ҳисобкунии умри хизмат бо солро пешниҳод накардааст. Аз ин рӯ, натиҷаи “дароз кардани умри актуатор” ченаки мустақим нест, балки интизории эҳтимолии муҳандисӣ мебошад, ки аз ҳаракати мунтазамтар ва маҳдудшудаи қадам бармеояд.

Нуқтаҳои қавии таҳқиқот кадомҳоянд?

• Пешбинии LiDAR, мушоҳидаи халал ва оптимизатсияи бехатари параметрҳо дар як меъмории идоракунӣ муттаҳид шудаанд.
• Суръати шамол мустақиман ҳамчун тағйирёбандаи контекстии параметрҳои контроллер истифода шудааст.
• Барои суръати зиёдатии ротор, кунҷи қадам ва суръати қадам маҳдудиятҳои бехатарӣ муайян шудаанд.
• Барои оғози SCBO дар минтақаи бехатар 10 намунаи Latin hypercube истифода шудааст.
• Сенарияҳои гуногуни симулятсия, аз ҷумла зарбаи ногаҳонии шамол, шамоли зинавӣ ва турбулентии доимӣ арзёбӣ шудаанд.
• Байни OpenFAST ва MATLAB/Simulink ҳамсимулятсияи асосёфта ба S-Function сохта шудааст.
• Натиҷаҳо на танҳо бо график, балки барои шароити турбулентӣ бо ҷадвали инҳирофи стандартӣ низ пешниҳод шудаанд.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот кадомҳоянд?

• Таҳқиқот preprint аст ва аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст.
• Ҳамаи санҷишҳо дар симулятсия анҷом шудаанд; озмоиши турбинаи физикӣ ё hardware-in-the-loop вуҷуд надорад.
• Талафи воқеии сигнали LiDAR, борон, туман, пошиши баҳр, ларзиш, садои ченкунӣ ва басташавии нур модел нашудаанд.
• Вайроншавии фарзияи турбулентии яхкардаи Taylor ва тағйирёбии шамол ҳангоми интиқол аз ҳамвории ченкунӣ ба ротор муфассал таҳқиқ нашудаанд.
• Мавҷ, ҷараён, ҳаракати платформаи шинокунанда, моменти пояи манора ва борҳои решаи парра гузориш нашудаанд.
• Модел гардиши манора, печиши меҳвари интиқол ва модҳои баландтартиби сохториро сарфи назар мекунад.
• Ҷустуҷӯи бехатар танҳо дар ҳудуди модели симулятсия нишон дода шудааст.
• Вақти ҳисоббарории оптимизатсия ва талаботи низоми дарунсохтаи вақти воқеӣ дода нашудаанд.
• Такрорпазирии SCBO дар зери намунаҳои ибтидоӣ ё тухмҳои тасодуфии гуногун нишон дода нашудааст.
• Ба ғайр аз PI ва ADRC, муқоиса бо model predictive control, H∞ control ё усулҳои пешрафтаи дигар анҷом нашудааст.
• Ҷадвали 2 ва фоизҳои беҳбудии матн бо ҳам мувофиқ нестанд.
• Дар рақамгузории шаклҳо ва бахшҳо такрор ва мушкилоти тартиб вуҷуд доранд.
• Арзиши дастии ω_c аз ҳадди болоии фазои ҷустуҷӯи SCBO зиёд аст.
• Мақола мегӯяд, ки модели NREL 5 MW истифода шудааст, аммо дар Ҷадвали 1 қувваи номиналӣ 5,25 MW дода шудааст.
• Маълумоти маблағгузорӣ, бархӯрди манфиатҳо, мубодилаи додаҳо ва дастрасӣ ба рамзи нармафзор дар ин версия вуҷуд надорад.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

• Дар муҳити симулятсия пешбинии LiDAR метавонад фармони қадами ADRC-ро пеш аз расидани тағйироти наздикшавандаи шамол фаъол созад.
• Танзими SCBO вобаста ба суръати шамол метавонад нисбат ба ADRC бо параметрҳои собит сохтори мутобиқшавандаи идоракуниро ба вуҷуд орад.
• ADRC бо пешхӯронӣ дар шароити турбулентии миёнаи 16 m/s инҳирофҳои стандартии суръати ротор ва қувваро аз усулҳои дигари таҳқиқшуда пасттар нигоҳ доштааст.
• Равиши маҷмӯи бехатари эҳтимолӣ метавонад дар дохили маҳдудиятҳои муайяншудаи симулятсия ҷустуҷӯи параметрҳоро анҷом диҳад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Исбот намекунад, ки дар турбинаи воқеии бодии баҳрӣ ҳамон иҷроиши идоракунӣ ба даст меояд.
• Нишон намедиҳад, ки додаҳои LiDAR дар ҳамаи шароити обу ҳаво ва баҳр боэътимод хоҳанд буд.
• Исбот намекунад, ки умри подшипники қадам ё актуатор ба фоизи муайян дароз шудааст.
• Бевосита нишон намедиҳад, ки борҳои парра, манора, низоми интиқол ё платформаи шинокунанда кам шудаанд.
• Исбот намекунад, ки SCBO дар низоми сертификатшудаи идоракунии турбина бехатар аст.
• Нишон намедиҳад, ки усули пешниҳодшуда ба ҳамаи синфҳои қувваи турбина ва навъҳои платформа мустақиман интиқол дода мешавад.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Навъи таҳқиқот

Таҳқиқот як кори моделсозии дақиқи низоми идоракунӣ ва ҳамсимулятсия мебошад, ки озмоиши физикӣ надорад. Модели турбинаи OpenFAST бо контроллерҳои дохили MATLAB/Simulink тавассути интерфейси S-Function кор карда шудааст.

Параметрҳои модели турбина

Танзимоти LiDAR ва пешхӯронӣ

• Сохтори сканкунии чор-нурӣ ва ду-ҳамворӣ истифода шудааст.
• Кунҷи нури уфуқӣ 15°, кунҷи амудӣ 7,5° муайян шудааст.
• Ченкуниҳои самти шамол аз раванди муттаҳидсозии додаҳо ва филтркунии Kalman гузаронида шудаанд.
• Дар озмоиши турбулентӣ нуқтаи ченкунӣ 150 m пеши ротор ҷойгир шудааст.
• Каҷи қадами пешхӯронӣ бо қадамҳои суръати шамоли 0,1 m/s сохта шудааст.
• Идоракунӣ асосан дар минтақаи қувваи доимӣ аз суръати номиналии шамол боло татбиқ шудааст.

Параметрҳои дастии ADRC

• Паҳнои банди мушоҳидагар: ω_o = 14,63
• Паҳнои банди контроллер: ω_c = 4,15

Гуфта шудааст, ки ин арзишҳо бо танзими дастӣ дар асоси таҷрибаи муҳандисӣ муайян шудаанд. Сипас SCBO ҷадвале сохт, ки паҳнои бандро вобаста ба суръати шамол тағйир медиҳад.

Танзимоти оғоз ва бехатарии SCBO

• Барои модели ибтидоии GP аз фазои параметрҳои бехатар 10 намунаи Latin hypercube гирифта шудааст.
• Гиперпараметрҳои ядро бо maximum log-marginal likelihood танзим шудаанд.
• Вазнҳои хатои суръати ротор ва ҳаракати қадам баробар 0,5 интихоб шудаанд.
• Эҳтимоли хатар δ = 0,05 муайян шудааст.
• Ҳадди бехатарии суръати ротор %140-и суръати номиналӣ мебошад.
• Ҳадди суръати қадам 6°/s, ҳадди физикии зикршуда 8°/s мебошад.

Сенарияҳои симулятсия

Натиҷаҳои асосии ададӣ

• Инҳирофи стандартии суръати ротори ADRC бо пешхӯронӣ: 0,2513 rpm.
• Инҳирофи стандартии кунҷи қадами ADRC бо пешхӯронӣ: 2,8572°.
• Инҳирофи стандартии қувваи генератори ADRC бо пешхӯронӣ: 0,0821 MW.
• Инҳирофи стандартии суръати ротори PI асосӣ: 0,3229 rpm.
• Инҳирофи стандартии қувваи генератори PI асосӣ: 0,1214 MW.
• ADRC бо пешхӯронӣ, ҳангоми ҳисоб аз ҷадвал, нисбат ба PI асосӣ инҳирофи стандартии суръати роторро тақрибан %22,17 коҳиш додааст.
• ADRC бо пешхӯронӣ нисбат ба PI асосӣ инҳирофи стандартии қувваро тақрибан %32,37 коҳиш додааст.
• PI бо пешхӯронӣ барои инҳирофи стандартии кунҷи қадам бо 2,8423° пасттарин арзишро додааст.

Арзёбии оморӣ

Гарчанде дар таҳқиқот инҳирофҳои стандартӣ гузориш шудаанд, такрорҳои мустақили симулятсия, фосилаҳои эътимод, арзишҳои p ё тағйирот байни майдонҳои тасодуфии шамол дода нашудаанд. Аз ин рӯ, фарқҳои инҳирофи стандартӣ ченакҳои тавсифии иҷроиш мебошанд; онҳо набояд ҳамчун натиҷаи аҳамияти оморӣ арзёбӣ шаванд.

Санҷишҳои зарурӣ барои гузариш ба низоми воқеӣ

• Симулятсияҳои Monte Carlo бо шиддатҳои гуногуни турбулентӣ ва шумораи зиёди тухмҳои тасодуфии TurbSim
• Моделсозии садои ченкунии LiDAR, талафи додаҳо ва бадшавии намоёнӣ
• Илова кардани мавҷ, ҷараён ва ҳаракати платформаи шинокунанда ба модели муттаҳид
• Арзёбии борҳои решаи парра, пояи манора ва низоми интиқол
• Чен кардани вақти ҳисоббарории вақти воқеӣ ва бори протсессории контроллер
• Санҷишҳои hardware-in-the-loop барои актуатори қадам ва воҳиди идоракунии турбина
• Тасдиқ бо додаҳои воқеии LiDAR ва турбина дар майдони озмоиши баҳрӣ
• Ҳисобкунии миқдории зарари хастагӣ ва умри актуатор
• Сертификатсияи бехатарии SCBO ва мантиқи бозгашти бехатар дар ҳолатҳои носозӣ

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи аслии таҳқиқот: LiDAR Feedforward-based Pitch Active Disturbance Rejection Control for Offshore Wind Turbines using Safe Contextual Bayesian Optimization

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

Тартиби муаллифон: Рӯйхати боло тартиби аслии таҳқиқотро нигоҳ медорад.

Маълумоти саҳми баробар: Дар ин версия изҳороти муаллифи аввалини баробар ё саҳми баробар вуҷуд надорад.

Муаллифи масъул: Дар ин версия аломати муаллифи масъул ё почтаи электронии тамос дода нашудааст.

Муассисаҳо:

• 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

Платформаи расмӣ: SSRN.

Пайванди расмии таҳқиқот:Саҳифаи таҳқиқоти SSRN

Соли нашр: 2026.

Маҷалла: Барои ин версия маълумоти маҷаллаи ҳамтоёнӣ ё қабули маҷалла вуҷуд надорад.

Ношири аслӣ: Ношири маҷаллаи ҳамтоёнӣ вуҷуд надорад. Таҳқиқот дар платформаи preprint-и SSRN ҷойгир аст; платформа аз ҷониби Elsevier идора мешавад.

Навъи манбаъ: Preprint дар бораи моделсозии ададӣ ва ҳамсимулятсияи OpenFAST-MATLAB/Simulink барои идоракунии турбинаи бодии баҳрӣ.

Вазъи ҳамтоёнӣ: Ин таҳқиқот preprint аст ва аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст; натиҷаҳо бояд бо дарназардошти ин маҳдудият хонда шаванд.

Маблағгузорӣ: Маълумоти маблағгузорӣ дар ин версия вуҷуд надорад.

Бархӯрди манфиатҳо: Изҳороти бархӯрди манфиатҳо дар ин версия вуҷуд надорад.

Дастрасӣ ба додаҳо ва код: Барои додаҳои симулятсия, коди MATLAB/Simulink, файлҳои воридотии OpenFAST ва коди татбиқи SCBO пайванди дастрасӣ дода нашудааст.

Ин шарҳи тоҷикӣ бо баррасии матни таҳқиқоти 25-саҳифаи боршуда, муодилаҳои математикӣ, блокҳои идоракунӣ, псевдокоди алгоритм, графикҳои маҷмӯи бехатар, сенарияҳои шамол ва ҷадвалҳои натиҷаҳои ададӣ омода шудааст. Ба мундариҷаи илмӣ аз берун аз таҳқиқот натиҷаи нав илова нашудааст. Санҷиши манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи маълумоти библиографӣ, аз қабили сабти SSRN, DOI ва платформаи нашр истифода шудааст.

Маҳдудияти муҳимтарини таҳқиқот он аст, ки натиҷаҳо на дар турбинаи физикии баҳрӣ, балки дар муҳити OpenFAST-Simulink ба даст омадаанд. Хатогиҳои ченкунии LiDAR, шароити баҳрӣ, таъхирҳои таҷҳизот, борҳои сохторӣ, хастагии воқеии актуатор ва сертификатсияи низоми идоракунӣ ба таври таҷрибавӣ арзёбӣ нашудаанд. Илова бар ин, байни натиҷаҳои фоизии ҷадвал ва матн, баъзе рақамҳои шакл ва бахш, паҳнои банди дастӣ ва ҳудуди ҷустуҷӯи SCBO, инчунин ифодаҳои қувваи номиналии турбина номувофиқатҳо мавҷуданд.