本發(fā)明屬于浮式風(fēng)機(jī)控制，尤其涉及基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、與固定式風(fēng)機(jī)不同，浮式風(fēng)機(jī)安裝于海上浮動(dòng)平臺(tái)之上，更易受到波浪、海流等環(huán)境因素影響，呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特性。這種運(yùn)動(dòng)特性會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)載荷造成顯著影響，進(jìn)而影響到風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全和疲勞壽命。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，變槳減載控制成為浮式風(fēng)機(jī)控制策略中的關(guān)鍵技術(shù)之一。模型預(yù)測(cè)控制(mpc)因其具有多目標(biāo)優(yōu)化(浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、發(fā)電功率等)、能夠直接將系統(tǒng)約束(槳距角變化速率約束等)納入優(yōu)化問題中等優(yōu)點(diǎn)，基于mpc的浮式風(fēng)機(jī)變槳減載控制方法成為一種先進(jìn)的控制方法。

3、基于mpc的浮式風(fēng)機(jī)變槳減載控制技術(shù)是一種專門用于應(yīng)對(duì)浮式風(fēng)機(jī)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的減載需求的控制方法。mpc的核心思想是在每個(gè)控制周期內(nèi)，通過一個(gè)預(yù)先建立的預(yù)測(cè)模型來預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，并根據(jù)這些預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)優(yōu)化控制輸入，以達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)。它能夠有效地應(yīng)對(duì)風(fēng)速變化、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)等不確定因素，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的安全、高效、長(zhǎng)壽命運(yùn)行。

4、基于mpc的浮式風(fēng)機(jī)變槳減載控制盡管在復(fù)雜海洋環(huán)境下展現(xiàn)出許多優(yōu)越的性能，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些缺點(diǎn)和挑戰(zhàn)：

5、(1)模型的性能高度依賴于系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性。對(duì)于浮式風(fēng)機(jī)而言，環(huán)境條件復(fù)雜且多變，如風(fēng)速波動(dòng)、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)以及海浪等因素，這些都會(huì)影響模型的精確性。如果模型不能準(zhǔn)確反映實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，可能導(dǎo)致控制效果不佳，甚至引發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

6、(2)預(yù)測(cè)精度受限。mpc需要基于當(dāng)前工況信息預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)。然而，風(fēng)速、波浪等環(huán)境因素本身就具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，這給準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來工況帶來了很大挑戰(zhàn)。而且當(dāng)遭遇突發(fā)性強(qiáng)風(fēng)、極端海況等工況突變時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩、超限等問題，甚至危及風(fēng)機(jī)安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法及系統(tǒng)，本發(fā)明采用基于高斯模型的預(yù)測(cè)方法，實(shí)時(shí)捕獲模型誤差并在線預(yù)測(cè)補(bǔ)償量來修正系統(tǒng)模型，從而提升模型精度和對(duì)復(fù)雜海況的適應(yīng)性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，包括：

4、基于浮式風(fēng)機(jī)的狀態(tài)和輸出與對(duì)應(yīng)穩(wěn)定工作點(diǎn)的差值，構(gòu)建浮式風(fēng)機(jī)的線性模型；

5、根據(jù)浮式風(fēng)機(jī)的波浪和風(fēng)速條件，以及浮式風(fēng)機(jī)的實(shí)際狀態(tài)和輸出，構(gòu)建浮式風(fēng)機(jī)的非線性模型；

6、基于高斯模型分別預(yù)測(cè)浮式風(fēng)機(jī)的線性模型的輸出與非線性模型輸出之間的輸出補(bǔ)償量，以及未來風(fēng)速；

7、根據(jù)預(yù)測(cè)的輸出補(bǔ)償量和未來風(fēng)速構(gòu)建浮式風(fēng)機(jī)控制的目標(biāo)函數(shù)，以最小化槳距角控制量對(duì)所述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解；

8、基于求解結(jié)果，結(jié)合基于統(tǒng)一變槳控制器的輸出結(jié)果，對(duì)浮式風(fēng)機(jī)槳距角進(jìn)行控制。

9、第二方面，本發(fā)明提供基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，包括：

10、第一構(gòu)建模塊，其被配置為：基于浮式風(fēng)機(jī)的狀態(tài)和輸出與對(duì)應(yīng)穩(wěn)定工作點(diǎn)的差值，構(gòu)建浮式風(fēng)機(jī)的線性模型；

11、第二構(gòu)建模塊，其被配置為：根據(jù)浮式風(fēng)機(jī)的波浪和風(fēng)速條件，以及浮式風(fēng)機(jī)的實(shí)際狀態(tài)和輸出，構(gòu)建浮式風(fēng)機(jī)的非線性模型；

12、預(yù)測(cè)模塊，其被配置為：基于高斯模型分別預(yù)測(cè)浮式風(fēng)機(jī)的線性模型的輸出與非線性模型輸出之間的輸出補(bǔ)償量，以及未來風(fēng)速；

13、求解模塊，其被配置為：根據(jù)預(yù)測(cè)的輸出補(bǔ)償量和未來風(fēng)速構(gòu)建浮式風(fēng)機(jī)控制的目標(biāo)函數(shù)，以最小化槳距角控制量對(duì)所述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解；

14、控制模塊，其被配置為：基于求解結(jié)果，結(jié)合基于統(tǒng)一變槳控制器的輸出結(jié)果，對(duì)浮式風(fēng)機(jī)槳距角進(jìn)行控制。

15、第三方面，本發(fā)明提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器以及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令被處理器運(yùn)行時(shí)，完成第一方面所述的方法。

16、第四方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時(shí)，完成第一方面所述的方法。

17、第五方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)完成第一方面所述的方法。

18、以上一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案存在以下有益效果：

19、在本發(fā)明中，無(wú)需依賴復(fù)雜的機(jī)理模型，而是通過高斯模型實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型輸出補(bǔ)償量，并據(jù)此對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，有效地克服了傳統(tǒng)方法對(duì)模型精度的高度依賴，簡(jiǎn)化了建模過程。高斯模型用于預(yù)測(cè)未來風(fēng)速和輸出補(bǔ)償量，高斯模型具有優(yōu)異的非線性逼近能力，能夠準(zhǔn)確預(yù)知未來復(fù)雜多變的工況和系統(tǒng)狀態(tài)，顯著提高了mpc控制策略的有效性，實(shí)現(xiàn)了更精準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)控制。

20、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

技術(shù)特征：

1.基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，根據(jù)浮式風(fēng)機(jī)的線性模型與非線性模型之間的誤差建立高斯模型先驗(yàn)分布，選擇合適的超參數(shù)，并實(shí)時(shí)更新誤差數(shù)據(jù)與先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得到高斯模型的后?yàn)分布，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)線性化模型的輸出補(bǔ)償量。

3.如權(quán)利要求1所述的基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，統(tǒng)一變槳控制器采用變?cè)鲆鎝i控制器，用于調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制浮式風(fēng)機(jī)輸出功率，具體為：

4.如權(quán)利要求1所述的基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所構(gòu)建的浮式風(fēng)機(jī)控制的目標(biāo)函數(shù)，具體為：

5.如權(quán)利要求1所述的基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，基于歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)構(gòu)建高斯先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，根?jù)實(shí)時(shí)獲取的風(fēng)速數(shù)據(jù)與高斯先驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行融合，得到高斯后驗(yàn)?zāi)Ｐ?；所述高斯后?yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)調(diào)整預(yù)測(cè)的均值和方差，得到訓(xùn)練好的高斯過程模型；基于訓(xùn)練好的高斯過程模型預(yù)測(cè)未來風(fēng)速。

6.如權(quán)利要求1所述的基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，利用浮式風(fēng)機(jī)的線性模型的輸出與非線性模型輸出之間的輸出補(bǔ)償量對(duì)浮式風(fēng)機(jī)線性模型進(jìn)行修正，修正后的浮式風(fēng)機(jī)線性模型為：

7.基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，包括：

8.一種電子設(shè)備，其特征在于，包括存儲(chǔ)器和處理器以及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令被處理器運(yùn)行時(shí)，完成權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的方法。

9.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時(shí)，完成權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的方法。

10.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)完成權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于高斯過程誤差補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法及系統(tǒng)，無(wú)需依賴復(fù)雜的機(jī)理模型，而是通過高斯模型實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型輸出補(bǔ)償量，并據(jù)此對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，有效地克服了傳統(tǒng)方法對(duì)模型精度的高度依賴，簡(jiǎn)化了建模過程。高斯模型用于預(yù)測(cè)未來風(fēng)速和輸出補(bǔ)償量，高斯模型具有優(yōu)異的非線性逼近能力，能夠準(zhǔn)確預(yù)知未來復(fù)雜多變的工況和系統(tǒng)狀態(tài)，顯著提高了MPC控制策略的有效性，實(shí)現(xiàn)了更精準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)控制。

技術(shù)研發(fā)人員：劉彥華,付敖龍,石碩,方瑩,張博頤,梁振明,張禎濱,董政
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6