基于旋转-平移作动器的驳船式浮式海上风机鲁棒振动控制研究

为解决浮式海上风机(FOWT)在复杂海洋环境中振动抑制难题，Syed Awais Ali Shah团队提出了一种集成旋转-平移作动器(RTA)的主动控制策略。通过建立4自由度动力学模型，结合降阶观测器(ROO)和基于反步法的滑模控制(SMC)，实现了无需全状态测量的自适应振动抑制。仿真验证表明，该方案显著提升系统稳定性，为海上风电装备可靠性提供新思路。

　　

海洋可再生能源开发面临重大技术挑战——浮式海上风力发电机(FOWT)在风浪耦合作用下产生的剧烈振动，不仅影响发电效率，更威胁结构安全。传统被动调谐质量阻尼器(TMD)难以适应动态海洋环境，而主动控制技术又面临传感器依赖度高、系统复杂度大等瓶颈。这一矛盾严重制约着深远海风电的发展。

针对这一难题，大连理工大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表创新成果。他们以美国国家可再生能源实验室(NREL)的5MW驳船式FOWT为原型，创造性地将旋转-平移作动器(RTA)这一典型欠驱动系统引入风机控制领域。该作动器通过单个扭矩输入同时调控旋转和平移自由度，兼具成本效益与控制灵活性。研究团队建立了包含平台纵荡、垂荡、纵摇及作动器旋转的4自由度动力学模型，并开发了融合反步法(backstepping)、滑模控制(SMC)和非奇异终端滑模控制(NTSMC)的混合控制框架。

关键技术突破体现在三方面：首先，采用降阶观测器(ROO)仅需测量位移和转角即可估计速度信号，降低传感器需求；其次，基于李雅普诺夫稳定性理论设计自适应律，实现控制参数的实时优化；最后，通过状态空间变换将高阶非线性系统分解为多个低阶子系统，逐步构建虚拟控制量。这些创新使系统在保留主动控制优势的同时，显著降低了实施复杂度。

Dynamical model of 4-DOF barge-type rotational translational actuator-based FOWT
研究建立了包含RTA的4自由度耦合动力学方程。通过欧拉-拉格朗日方程推导发现，旋转质量块的离心力可转化为平台振动的抑制力，这种机电耦合效应是控制设计的物理基础。

Formulation of a robust vibration control law
针对系统存在的未建模动态和扰动，设计了匹配扰动补偿项。控制律分三步构建：先通过反步法设计虚拟控制量，再结合SMC的强鲁棒性和NTSMC的有限时间收敛特性，最终形成混合控制策略。理论证明该方案能保证所有信号一致最终有界。

Simulation results and discussion
MATLAB/Simulink仿真显示，在JONSWAP波浪谱和湍流风场激励下，与传统TMD相比：平台纵荡位移降低62%，塔顶加速度峰值减少58%，且控制力能耗下降34%。特别值得注意的是，ROO的估计误差在10^-3量级，验证了状态观测的有效性。

Conclusion
该研究首次将旋转-平移作动器成功应用于FOWT振动控制，突破了传统AMD需要独立平移驱动机构的限制。通过理论创新实现了"少传感器、强鲁棒、自适应"的控制目标，为深远海风电装备提供了更具工程可行性的解决方案。作者Syed Awais Ali Shah指出，下一步将开展缩比样机海试，进一步验证方法的实际应用价值。这项成果不仅对海上风电发展具有重要意义，其提出的欠驱动系统控制框架也可推广到其他海洋工程装备领域。