Spar浮标水平轴漂浮式海上风力机的嵌套控制协同设计

漂浮式海上风力机（FOWT）系统涉及若干耦合的物理分析学科，包括气动弹性、多体结构动力学、流体动力学与控制。传统上，物理结构（对象）与控制设计决策被视为两个独立问题，且通常对象设计完成后再进行控制设计。然而，这种顺序设计方法无法充分利用对象与控制设计决策之间的协同效应。这些传统设计实践产生次优设计，尤其在对象与控制设计决策强耦合的情况下。控制协同设计（CCD）是一种整体设计方法，通过同时优化这些决策来充分考虑对象-控制设计耦合。CCD对于物理学科间存在复杂交互的系统设计问题尤其有利，FOWT系统正是如此。本文提出并演示了一种使用开环最优控制（OLOC）的嵌套CCD方法，应用于模拟FOWT动态行为的简化降阶模型。该简化模型因其计算高效性有助于优化研究，但仍足以捕捉与带Spar浮标漂浮式平台的水平轴FOWT系统相关的重要多学科物理耦合与对象-控制设计耦合。CCD结果显示目标函数即年发电量（AEP）较基线设计提升超过百分之十一。此保真度级别的优化研究可为系统设计工程师提供利用设计耦合提升性能的设计方向洞察。这些研究也为未来采用更高保真度模型与设计表征的更详细风机CCD优化研究提供了模板。