一种带有地面钩锁回机制的截断式目标力跟踪半主动调质阻尼器，用于海上单桩风力涡轮机塔架的目标带振动控制

《Ocean Engineering》：Clipped target-force tracking semi-active tuned mass damper with groundhook fallback for target-band vibration control of offshore monopile wind turbine towers

　　• 开发了一种与 OpenFAST 兼容的力-阻尼框架，用于半主动扭矩调节器（TMDs）。• 目标力请求通过地面挂钩（groundhook）回退机制进行限制和保护。• 在所有 24 个配对案例中，目标频段的频谱峰值都得到了降低。• 在配对模拟下，TMD 的运动和力需求指标也得到了改善。

引言
大型海上风力涡轮机将塔架和支持结构的振模式置于一个要求严格的低频范围内。湍流、不规则波浪、空气动力阻尼变化、变速/变俯仰操作以及支撑结构的灵活性都作用于相同的响应通道。塔架的弯曲响应主导了整体运动，并直接影响塔顶位移、支撑反力矩、疲劳载荷和可靠性。最近的独桩基础研究报道了在耦合载荷下的基础应变（Guo 等人，2024 年），土壤迟滞效应对横向响应的影响（Shirzoi 等人，2025 年），以及极端载荷行为（Shirzoi 等人，2026 年）。实际需求很明确：在不增加过多控制复杂性和维护负担的情况下抑制主导的塔架响应。辅助质量阻尼器仍然是实现这一目标的最直接方法之一。传统和多 TMD 布局已被应用于固定底部和浮动风力涡轮机（Xie 等人，2020 年；Yang 和 He，2020 年）。惯性器增强的吸收器通过 TMDI 概念（Zhang 和 Fitzgerald，2020 年；Zhang 和 H?eg，2021 年）和流体惯性器配置（Sarkar 和 Fitzgerald，2022 年）扩展了被动设计空间。可变刚度和液柱装置拓宽了可用的调谐机制（Leng 等人，2021 年；Nazokkar 和 Dezvareh，2022 年），而非线性和摆阻尼器则解决了更大运动和多方向响应问题（Jahangiri 和 Sun，2022 年；Colherinhas 等人，2022 年）。更广泛的综述将这些装置归类为被动、半主动、主动和混合质量阻尼器家族（Koutsoloukas 等人，2022 年）。最近的研究将目标扩展到了能量收集（Cai 等人，2024 年；Elias 和 Beer，2024 年）、混合振动控制（Chang 和 Peng，2025 年）、比较或主动控制策略（Han 等人，2025 年；Chen 等人，2025 年）以及空间高效或多惯性器布局（Cai 等人，2026 年；S. Wang 等人，2026 年）。报告中的益处仍依赖于耦合的系统和调谐规则以及选定的响应指标；多条件下的被动 TMD 设计也表现出同样的依赖性（Chang 等人，2026 年）。模型的精确度直接影响报告的控制效果。因此，海上风力涡轮机的基准研究在时间和频率域内检查了耦合的平台、塔架、机舱/传动系统和俯仰动力学与 OpenFAST 的一致性（Sarker 等人，2024 年；Jia 和 Gao，2026 年）。最近的 TLCD 分析也保留了耦合的多柱平台动力学（Yang 等人，2026 年）。相应地，阻尼律在具有固定环境输入的可追溯 OpenFAST 系统中进行评估，并设有比较基准。

半主动阻尼器在不增加全主动执行器能耗的情况下提供了控制能力。可变刚度和液柱气体装置提供了早期的海上应用示例（Leng 等人，2021 年；Nazokkar 和 Dezvareh，2022 年）。涡流 TMD 通过可控电磁阻尼扩展了这一概念（Jiang 等人，2024 年）。SATMDI 和自供电可行的 TMD 研究结合了可变阻尼与设备级约束（Gavgani 和 Lavassani，2024 年；Cai 等人，2025 年）。地面挂钩调节的 TLCD 用于处理随机载荷（Mendes 等人，2025 年）；针对特定支撑条件的半主动研究将这种方法扩展到了冲刷（Zhang 等人，2026 年）和时变空气动力效应（X. Wang 等人，2026 年）。控制协同设计联合处理设备和控制器参数（Liang 等人，2026 年）。磁流变执行器和半主动惯性器拓宽了可用的硬件和实现机制（Masa’id 等人，2023 年；Tran 等人，2024 年）。元启发式调谐（Ramírez 等人，2024 年）、土壤-结构相互作用测试（Li 等人，2025 年）和干扰抑制控制（Rodríguez-Torres 等人，2025 年）进一步扩展了设计空间。物理限制保持不变：指令力必须来自非负阻尼、有限的阻尼能力、瞬时相对速度和有限的行程容量。地面挂钩型控制是这类装置的自然参考。它从主结构速度与阻尼器相对速度的符号关系中得出耗散指令。基于地面挂钩的实现已在 SATMDI 和 TLCD 配置中被报道（Gavgani 和 Lavassani，2024 年；Mendes 等人，2025 年）。相关的海上半主动研究将切换结构扩展到了对冲刷敏感的独桩和时变夹套响应（Zhang 等人，2026 年；X. Wang 等人，2026 年），而控制协同设计则扩展了调谐层（Liang 等人，2026 年）。其主要优点是透明且低成本的指令，同时与非负阻尼兼容。修改后的、自适应的和混合的地面挂钩定律通过增益、阈值或耗散分支改进了这一基础。

最近的海上研究通过设备调谐、支撑条件适应和控制协同设计扩展了这一方法。地面挂钩调节的 TLCD 在随机载荷下适应液柱动力学（Mendes 等人，2025 年），而优化的 SATMDI 结合了半主动切换和惯性器辅助的设备调谐（Gavgani 和 Lavassani，2024 年）。独桩/冲刷和夹套研究将半主动控制扩展到了支撑条件和时变空气动力效应（Zhang 等人，2026 年；X. Wang 等人，2026 年），控制协同设计联合处理设备和控制器参数（Liang 等人，2026 年）。这些发展扩展了设备设计、调谐和操作范围，而目标频段的力需求仅与可执行的阻尼间接关联。COSA 通过保持地面挂钩作为耗散回退机制，将目标频段的力需求转换为有界的阻尼，并结合设备需求评估结构响应，从而填补了这一执行缺口。基于截断和优化的半主动定律提供了更强的设计能力。截断最优和截断 LQR 类方法首先计算所需的主动力，然后将其转换为半主动指令（Dyke 等人，1996 年；Masa’id 等人，2023 年）。这种方法的强大之处在于它将主动控制合成与可实现的阻尼联系起来。同时，它也带来了要求：设计模型、权重选择和可行性预测。模型预测和元启发式优化方法（Ramírez 等人，2024 年）、半主动惯性器研究（Tran 等人，2024 年）和控制协同设计（Liang 等人，2026 年）扩展了约束处理和目标选择。它们的成本取决于模型依赖性、调谐工作量以及在非线性空气-伺服-水弹性模拟器中的透明度。对于海上风力涡轮机 TMD，关键的转换步骤仍然简洁实用：目标频段的力需求必须转换为有界的阻尼指令，并且其效益必须与 OpenFAST 中的设备需求一起评估。未解决的步骤是从目标响应需求到执行器可实现的阻尼的在线转换。宽带 RMS、峰值响应或单一载荷指标可能会掩盖主导模式带的变化和阻尼器承担的内部成本。因此，必须同时评估目标频段响应、TMD 运动、力需求、力抖动和 DEL。针对特定情况的优化可能会改善选定的指标，但可能会掩盖模块的作用和阻尼的可行性。嵌入式 OpenFAST 半主动 TMD 需要一条从目标需求到可行阻尼执行的简短、可追溯的路径。

本研究开发了一种带有地面挂钩（GH）回退的截断目标力跟踪半主动阻尼框架，称为 COSA，用于海上独桩风力涡轮机的低频塔架振动控制。核心操作是将目标频段的力需求转换为可接受的半主动阻尼指令。虚拟目标力定义了围绕主导塔架响应带的期望动作。OpenFAST 输入是通过结构控制（StC）接口生成的有界阻尼系数。最终控制器包括四个层次：虚拟目标力生成、通过截断进行阻尼可行性投影、对于不可行或相位不利的请求使用 GH 回退，以及响应依赖的混合和物理阻尼限制。虚拟力反馈、阻尼截断、响应依赖的权重和地面挂钩控制是建立的概念。COSA 围绕一个海上风力涡轮机 TMD 约束组织这些功能：所需的目标频段力必须通过一个非负、有界的阻尼元件，其可实现性随瞬时相对速度变化。COSA 这一名称表示这种集成的指令路径。其贡献在于有序执行目标力需求、半主动可行性投影、GH 回退和有界阻尼输出。

建立了一个统一的 OpenFAST 5-MW OC3 独桩比较程序，以定义 COSA 的作用和边界。在相同的 OpenFAST 配置下运行了无 TMD 基线（NoTMD）、传统半主动（SA）地面挂钩控制、COSA 和模块归因变体。指标包括外部结构响应、目标频段响应、TMD 运动需求、控制力需求、力抖动和 DEL。无目标的 COSA 识别了目标力分支的频谱贡献。无 GH 的 COSA 在不可行目标力、小相对速度和相位不利状态下隔离了回退的保护效果。固定 ?? 的 COSA 保留了目标力生成、半主动截断和 GH 回退，并设置 ???(??)≡??max=0.55。这个常数权重保持了混合操作并隔离了其响应依赖性。

问题定义和整体框架
数值模型是 NREL 5-MW 涡轮机，采用 OC3 固定底部独桩配置在 OpenFAST 中。控制目标是在全场湍流风和不规则波浪条件下抑制低频塔架振动。TMD（Xie 等人，2020 年）、TMDI（Zhang 和 H?eg，2021 年）、TLCD（Nazokkar 和 Dezvareh，2022 年）及相关辅助质量装置仍然是海上风力涡轮机结构控制的已知选项。采用的模型保持了国家可再生能源实验室（NREL）的 5-MW 参考配置。

代表性响应：宽带相似性和目标频段分离
代表性案例首先证明了 COSA 保持了地面挂钩基线的宽带缓解效果。在 ??=12m/s 和种子 103 的情况下，传统 SA 和 COSA 都减少了相对于 NoTMD 的塔顶横向位移和支撑反力矩。它们的时间历史非常接近。相对于 NoTMD，传统 SA 减少了 31.1% 的塔顶 Y RMS，COSA 减少了 32.0%；支撑反力矩 X RMS 分别减少了 38.9% 和 39.6%。因此，COSA 保持了...

结论
本研究开发并评估了 COSA，这是一种带有 GH 回退的截断目标力跟踪半主动阻尼框架，用于海上风力涡轮机塔架振动。该方法通过 StC 接口嵌入到 OpenFAST v3.5.0 中。在配对比较中，植物、环境、基线控制器和 TMD 硬件是固定的；只有阻尼指令逻辑发生变化。COSA 通过虚拟力生成将目标频段的力需求转换为可行的半主动阻尼指令。

作者贡献声明
Chang Haoyang：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、调查、数据整理。
Gao Zhi-Wei：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、概念化。
Liu Yuanhong：可视化、软件、调查。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
本研究部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号 62473095）和中国国家自然科学基金创新人才计划的支持。

Haoyang Chang | Zhi-Wei Gao | Yuanhong Liu