كنترل تحمل‌ پذير عيب فعال براي سيستم‌هاي توربين بادي با استفاده از مد لغزشي مبتني بر رؤيتگر اغتشاش و تخمين تأخير زماني

Active Fault Tolerant Control of Wind Turbine Systems using Disturbance Observer-based Sliding Mode and Time Delay Estimation

در اين مقاله، كنترل تحمل‌پذير عيب فعال برمبناي تخمين تأخير زماني، مد لغزشي و رؤيتگر اغتشاش غيرخطي براي كنترل زيرسيستم زاويه پيچ در حضور عيب عملگر و عدم قطعيت ارائه شده است. تخمين تأخير زماني به‌عنوان الگوريتم تخمين عيب براي تشخيص و جبران اثرات عيب عملگر به‌كار گرفته شده است. در ادامه، با تركيب روش مد لغزشي، كنترل تأخير زماني و رؤيتگر غيرخطي اغتشاش يك قانون كنترل مقاوم براي خنثي كردن اثرات عيب و عدم قطعيت طراحي شده است. به منظور كاهش چترينگ در كنترل مد لغزشي معمولي كه به علت جمله كنترلي ناپيوسته به ‌وجود مي‌آيد، يك رؤيتگر اغتشاش غيرخطي طراحي و با قانون كنترل مد لغزشي و كنترل تأخير زماني تركيب شده است. در ساختار پيشنهادي، بهره كنترلي جمله ناپيوسته به ميزان قابل ملاحظه‌اي كاهش يافته درنتيجه پديده چترينگ به‌طور چشم‌گيري كاهش مي‌يابد. تحليل پايداري برمبناي تئوري لياپانوف انجام شده است. پروفيل سرعت باد با استفاده از نرم‌افزار توربسيم توليد شده، و قانون كنترل پيشنهادي برمبناي مدل دوجرمي طراحي و به منظور اعتبارسنجي در محيط نرم‌افزار فست پياده‌سازي شده است. نتايج، برتري كنترل‌كننده پيشنهادي درمقايسه با كنترل‌كننده‌هاي خطي‌سازي فيدبك و جدول‌بندي بهره درحضور عدم‌قطعيت و عيب‌هاي مختلف عملگر ازقبيل نشتي هيدروليكي، خرابي پمپ و محتوي هوا در روغن هيدروليك را نشان مي‌دهد.

In this paper, an active fault tolerant control based on time delay control, sliding mode, and nonlinear disturbance observer is proposed to control the pitch subsystem in the presence of actuator faults and uncertainties. Time delay estimation is applied as a fault estimation algorithm for detection and compensation. Then, a robust control law is synthesized to nullify uncertainty and fault effects using a combination of sliding mode, disturbance observer, and time delay with novel adaptation laws. In order to mitigate chattering which comes from the discontinuous control term, a nonlinear disturbance observer is designed. Through the proposed structure, the discontinuous gain is reduced significantly which leads to chattering reduction. Stability analysis is conducted through Lyapunov Theory. Moreover, wind speed profiles are generated using TurbSim, and simulations are performed based on a nonlinear two-mass wind turbine model and implemented in the FAST environment to verify the validity of the designed controllers. Finally, results reveal the effectiveness of the proposed controller compared to feedback linearization and gain-schedule proportional-integral controllers in the presence of uncertainty and different actuator faults such as hydraulic leakage, pump wear, and high air content in the oil.