摘要
近年来，随着能源危机和环境问题的日益突出，可再生资源的开发利用越发显得重要。风筝发电作为风力发电方式的一种，以其自身建造成本低、工作范围广和具有一定的便携性等优势成为近几年风电行业中的新兴技术。但由于风筝在飞行过程中其姿态对稳定性影响较大等原因，想要实现使用风筝发电，对风筝的动力学建模和控制系统设计是必不可少的。本文对一种旋转式风筝发电装置进行研究，设计了以输出功率最大化为目标的控制器。研究内容主要包括以下方面： 1）为了分析旋转式风筝发电装置的力学特性，对领航伞基于牛顿运动定律建立四自由度状态空间模型，对环形风筝基于动量矩定理建立动力学模型，并讨论了两种结构之间的相互关系。在无控的条件下进行仿真，验证了该系统自身具有开环稳定性，并计算自稳定状态下的环形风筝输出功率。 2）为了提高环形风筝的做功能力，基于环形风筝的输出功率提出了最优化问题，通过遗传算法和飞鼠搜索算法求解出最优输出功率下的环形风筝姿态角。在此基础上，对飞鼠搜索算法进行调整，使其适用于本文的寻优问题，进一步增加了该算法的稳定性和收敛精度，并将环形风筝最优姿态角通过关系转换得到了领航伞的最优姿态角，以此作为控制目标。 3）对领航伞设计姿态控制器，使其能够稳定在最优姿态角下，保证环形风筝在工作时达到最大的输出功率。在控制器的设计上，针对非线性控制问题采用了非线性模型预测控制器，并针对其计算速度问题使用实时迭代策略，提升了该算法在求解控制量时的速度，实现了将领航伞稳定在最优姿态角的控制目的。为了验证控制器对领航伞的控制效果，本文还对短周期“8”字形轨迹进行跟踪，验证了模型预测控制算法在该问题中的控制能力。
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