考虑多种约束条件的同轴双浮子点吸收式波浪能转换器的模型预测控制

波浪能量转换器在约束条件下通过模型预测控制（MPC）实现高效能和安全性平衡，对比最优阻尼控制（OPT）和调谐常数阻尼器（TCD），验证MPC在规则与不规则波中的优越性。

　　
本文针对波浪能转换器（WEC）在复杂海况下的运行安全性与能量捕获效率协同优化问题展开系统性研究。研究聚焦双浮体直驱型WEC系统，通过对比分析模型预测控制（MPC）、最优阻尼控制（OPT）和调谐常数阻尼控制（TCD）三种方法，揭示了不同约束条件下控制策略的性能边界与优化机制。研究成果为海洋能装备在恶劣环境中的可靠运行提供了新的理论依据和技术路径。

一、研究背景与意义
当前海洋能开发面临两大核心矛盾：其一，波浪能具有随机性和非稳态特征，传统固定参数控制方法难以适应复杂工况变化；其二，实际部署中设备面临双向波浪激励、多体耦合运动等严苛条件，需在能量捕获与结构安全之间建立动态平衡机制。研究团队基于此提出创新性研究框架，通过建立双浮体直驱系统的多物理场耦合模型，重点突破传统控制方法在约束管理方面的局限性。

二、双浮体WEC系统特性与控制难点
该研究采用的直驱双浮体系统具有三个显著技术特征：1）通过直接驱动PTO实现机械能高效传递；2）双浮体间距可调设计（本案例设定为2米）；3）六自由度运动耦合特性。这些结构特征使得系统同时面临阻尼力动态平衡、垂荡位移阈值控制、双向波浪激励抵消等多重控制挑战。

研究揭示，当遭遇极端海况时（如不规则波周期5-9秒），传统控制方法存在明显失效：TCD通过固定频率调谐无法适应波浪频谱的宽频特性；OPT虽能优化单一约束条件，但在多约束协同时出现控制力突变问题。这种矛盾在波浪能转换器的实际工程化应用中尤为突出，直接导致约35%的设备在实验室模拟与海上试验间出现性能衰减。

三、控制策略对比与性能分析
研究构建了包含波浪激励力、结构运动方程、PTO动态特性的全耦合数学模型，通过数值仿真平台验证不同控制策略。主要发现包括：

1. 基础性能对比
在规则波（1.00-1.45 rad/s）无约束条件下，MPC与OPT的能量捕获效率分别达到92.7%和91.3%，两者接近但MPC表现出更好的动态稳定性。TCD由于固定调谐参数，在0.8-1.7 rad/s频率范围内效率骤降23%，凸显了传统方法的局限性。

2. 单约束场景优化
当施加200kN阻尼力上限时，MPC通过实时调整预测时域（3-5步）和优化变量，使平均功率提升8.5%，同时将结构响应位移控制在±0.3米以内。此结果验证了MPC在动态约束管理方面的优势，其控制响应时间较OPT缩短40%。

3. 多约束协同控制
在同时限制阻尼力（200kN）、垂荡位移（±0.5米）和摆角（±15°）的三重约束条件下，MPC展现出显著优势：能量捕获效率稳定在78.2%，较TCD提升19.6个百分点，且未出现控制超调导致的设备碰撞事故。该成果突破性地实现了安全约束与能量捕获的帕累托最优。

四、关键技术创新点
1. 自适应约束管理机制
通过构建多层级约束评估体系，系统可实时识别约束类型（硬性/柔性）、优先级（安全/效率）及动态变化趋势。在波浪激励力突增时，自动切换至安全优先模式，将结构响应控制在安全阈值内。

2. 稀疏优化算法改进
针对传统MPC计算复杂度问题，提出基于海浪谱特征提取的降阶优化策略。通过保留关键频率成分（5-9秒周期），将预测时域压缩至常规值的60%，同时保持控制精度在误差±2%以内。

3. 多模态融合控制
创新性地将MPC与智能预估算法结合，构建"预测-补偿-修正"三级控制架构。在实验中，该结构使系统对波浪相位差的适应能力提升27%，成功解决了直驱系统在非同步激励下的功率波动难题。

五、工程应用价值与拓展方向
研究成果已通过系列水槽试验验证，在3.5米波高、周期6秒的极端工况下，双浮体系统仍保持85%以上的设计效率。该技术路线特别适用于近海漂浮式电站等场景，可降低30%以上的运维成本。

未来研究可拓展至以下方向：
1. 构建多尺度约束管理框架，整合波浪能装备的机械、液压、电气等多系统约束
2. 开发基于数字孪生的在线自适应控制器，实现控制参数的实时动态调谐
3. 探索极端海况下的容错控制策略，提升系统鲁棒性

本研究为波浪能装备的控制技术发展提供了重要参考，其提出的约束管理范式可延伸至海上风电、海洋平台等装备的智能控制系统开发中，具有显著的理论创新价值和工程应用前景。