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高空风能发电牵引翼伞动力学与控制研究

关注热度:214   来源:新能源学术论文  作者:冉兴隆
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【摘要】:本文主要围绕高空风能发电牵引翼伞系统进行研究,主要包括:高空风能牵引翼伞的运动轨迹、动力学特性和最优控制。 分别建立牵引翼伞平面运动轨迹模型、空间运动轨迹模型、两种不同的平面动力学模型和空间动力学模型。在绳索长度为定值、匀速伸长和匀加速伸长的三种情况下,着重分析了模型运动轨迹和牵引力冲量大小。并对空间模型在侧风情况下的稳定性进行了分析。归纳得到:1)影响牵引翼伞运动轨迹和牵引力冲量大小较为明显是:牵引绳索长度r及绳索伸长速度r和加速度r,翼伞俯仰角和滚转角;2)对牵引翼伞稳定性影响最大的是翼伞滚转角。 在空间运动轨迹模型的基础上,建立了高空风能发电牵引翼伞最优控制模型。通过分析,明确了最优控制模型的目标函数和其边界条件。采用基于直接配点法的DIRCOL软件工具包,对建立的最优控制模型进行了求解,并对结果进行了分析。最优控制为典型的开环式控制,由于牵引翼伞最优控制模型自身不稳定,当受到扰动后,模型得不到满足边界条件的解。 通过对翼伞滚转角施加控制的方法,实现了运动轨迹模型在侧向风下的稳定。采用ACADO工具包,对牵引翼伞最优控制模型进行了鲁棒优化,提高了模型自身的稳定性,在受到扰动的情况下,模型仍然能够得到满足边界条件的解。 本文所完成的工作,可为高空风能牵引翼伞系统的动力学和最优控制研究,以及相关问题研究提供参考。
【关键词】:牵引翼伞 运动轨迹 最优控制 直接配点法 鲁棒优化
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TM614
【目录】:
  • 目录4-6
  • 图目录6-10
  • 表格目录10-11
  • 摘要11-12
  • ABSTRACT12-13
  • 第一章 绪论13-23
  • 1.1 研究背景13-15
  • 1.2 相关领域国内外研究进展15-21
  • 1.2.1 翼伞系统的国内外研究现状综述15-16
  • 1.2.2 牵引翼伞研究进展16-18
  • 1.2.3 高空风能发电牵引翼伞系统研究进展18-21
  • 1.3 本文研究内容21-23
  • 第二章 牵引翼伞运动轨迹建模及仿真研究23-37
  • 2.1 引言23
  • 2.2 基本坐标系和假设23-24
  • 2.2.1 基本坐标系23
  • 2.2.2 基本假设23-24
  • 2.3 平面轨迹模型24-27
  • 2.4 空间运动轨迹模型27-31
  • 2.5 模型仿真与分析31-36
  • 2.6 小结36-37
  • 第三章 牵引翼伞动力学建模及仿真研究37-59
  • 3.1 引言37
  • 3.2 牵引翼伞附加质量37-41
  • 3.2.1 翼伞几何描述参数37-38
  • 3.2.2 基本假设38-39
  • 3.2.3 附加质量概念39
  • 3.2.4 牵引翼伞附加质量的确定39-41
  • 3.3 牵引翼伞平面动力学模型41-46
  • 3.3.1 平面动力学模型A42-45
  • 3.3.2 平面动力学模型B45-46
  • 3.4 牵引翼伞空间动力学模型46-51
  • 3.4.1 牵引翼伞系统的质量特性46-47
  • 3.4.2 翼伞气动力和力矩47-48
  • 3.4.3 六自由度动力学模型48-51
  • 3.5 模型仿真与分析51-57
  • 3.6 小结57-59
  • 第四章 牵引翼伞系统最优控制模型59-71
  • 4.1 引言59
  • 4.2 最优控制模型59-65
  • 4.2.1 最优控制量的确定59-60
  • 4.2.2 最优控制模型的建立60-65
  • 4.2.3 最优控制模型的求解65
  • 4.3 模型仿真和分析65-70
  • 4.3.1 仿真初值设置65-66
  • 4.3.2 模型仿真与分析66-69
  • 4.3.3 模型稳定性分析69-70
  • 4.4 小结70-71
  • 第五章 牵引翼伞系统侧向控制和鲁棒优化71-81
  • 5.1 引言71
  • 5.2 牵引翼伞系统侧向控制71-74
  • 5.3 最优控制模型鲁棒优化74-80
  • 5.3.1 模型鲁棒优化74-75
  • 5.3.2 模型单周期仿真与分析75-77
  • 5.3.3 扰动下模型多周期仿真与分析77-80
  • 5.4 小结80-81
  • 结束语81-83
  • 致谢83-84
  • 参考文献84-89
  • 作者在学期间取得的学术成果89-90
  • 附录A 本文采用的风场模型90


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关键词: 牵引翼伞

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