自适应风电叶片振动控制设计

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1、目录1绪论21.1选题背景及意义21.2自适应叶片振动主动控制的主要技术及国内外研究现状31.2.1振动主动控制技术31.2.2飞机发动机的自适应叶片振动控制研究41.3智能、压电技术的研究51.3.1智能材料与结构概念和振动主动控制技术相结合51.3.2自适应智能结构振动主动控制技术51.3.3压电技术应用现状61.3.4压电陶瓷71.4本文的研究内容72压电陶瓷的力学和电学性能分析72.1压电陶瓷的介电性质72.2压电陶瓷的弹性关系92.3压电陶瓷的压电效应表达式102.3.1正压电效应102.3.2逆压电效应132.3.

2、3压电方程143压电智能悬臂梁的主动振动控制143.1压电智能悬臂梁状态空间的动力学建模143.1.1压电智能悬臂梁的振动模态分析及压电作动器分析153.1.2压电传感器分析183.1.3压电智能悬臂梁状态空间的动力学模型193.2压电智能悬臂梁振动控制器的设计223.2.1线性二次型最优控制器233.2.2加权矩阵的选择243.2.3压电智能悬臂梁主动振动控制仿真253.3压电驱动器位置的最优配置284总结与展望294.1主要工作总结294.2今后研究方向和研究内容展望30参考文献30ABSTRACT3132自适应风电叶片振

3、动控制设计摘要：本文主要是对基于压电智能机构的自适应风电叶片振动主动控制技术进行了理论的分析和研究。首先分析了压电陶瓷的力学和电学性能，阐述了正、逆压电效应，推导出了压电方程。其次，把风电叶片简化成柔性悬臂梁，建立了压电智能悬臂梁状态空间的动力学模型，针对此系统利用最优控制理论进行主动振动控制，设计了在系统低阶模态空间的振动控制器，并通过计算机仿真说明了此主动振动控制方法的有效性。关键字：自适应叶片压电智能结构悬臂梁最优控制理论主动振动控制1绪论1.1选题背景及意义（1）世界风力发电的现状和前景[16-21]风能是世界上能源利

4、用中增长速度最快的清洁能源，是未来基于可持续发展和零污染电能的一线希望。在过去的几年中，新建风能设备己经超过了新建核能设备。日前，中、大型风力发电机组己在世界上40多个国家陆地和近海井网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。1990年到2002年7年中，风电平均增长率为31%，风电电量己经占到世界总电量的0.4%。2002年欧洲风能协会与绿色和平组织发表了一份标题为“风力12（WindForce12)”的报告。《风能12%》是一个世界性的行动方案，即使全球电能消耗在20年内翻一番，风能仍能提供全世界电能总量的12%

5、。现在，全世界有45个以上的国家正积极促进风能事业的发展。到2002年底，世界累计装机容量为32037MW，其中2002年新安装的容量为7231MW。2007年世界风力发电机的装机容量将达到83319MW。据新能源研究咨询机构BTM统计，全球装机容量从2001年到2009年复合年增长率为26.2％，截止至2009年12月31日累计装机容量为160,084兆瓦。2009年新增装机容量38,103兆瓦，相比2008年全球范围装机容量增长31％，这一增长率创下了历年之最。显示，截至2009年底全球风电累计装机容量达160,084MW

6、。中国的累计装机容量仅次于美国排名第二，占全球总量的16%。据BTM预计，到2014年底，中国的累计装机容量将达到104,853MW，占全球总量的23%；2011年底中国将在装机容量上超越美国。同时，BTM认为在2009年排名前五的国家中，中国会是从2009年到2014年这个时期内CAGR（复合年增长率）最高的国家。322009——2014年五大风电应用国家装机容量即复合增长率国家2009201020112012201320142009——2014年复合增长率MW中国258533985354853703538685332.30

7、%美国351594315953159681598315923.30%印度10827133271582719327233272732720.30%西班牙1878420784232842528427784297849.70%德国2581327813302133271335713392138.70%（2）课题的研究意义风能是一种清洁的可再生能源。据世界气象组织（WMO)分析，全球总风能为3x1017kW其中可利用的风能为2x1010kW。因此，开发和利用风能资源，不仅可以为21世纪寻找新的替代能源，而且有利于环境保护。风力发电己进入

8、商业化发展的前期阶段，与之相配套的叶轮技术的发展也十分迅速。风力发电机的风轮是接受风能的最主要部件，也是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。叶片是风机的核心部件。叶片的受力很复杂，在旋转过程中受气动力、弹性力