一種飛輪儲能用軸向磁軸承自抗擾控制器的構(gòu)造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種飛輪儲能用軸向磁軸承自抗擾控制器的構(gòu)造方法，基于復(fù)合被控對象的輸入、輸出構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，將給定軸向位移作為跟蹤微分器輸入，將跟蹤微分器的兩個輸出分別減去擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的兩個輸出得到兩個誤差作為非線性狀態(tài)誤差反饋控制器的兩個輸入，將擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的未知擾動信號輸出加上模糊補償器的輸出之后，經(jīng)過得到后與非線性狀態(tài)誤差反饋控制器的輸出相結(jié)合作為復(fù)合被控對象的給定輸入；將跟蹤微分器、非線性狀態(tài)誤差反饋控制器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器與模糊補償器作為一個整體共同構(gòu)成自抗擾控制器；通過構(gòu)造系統(tǒng)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，自動補償被控對象內(nèi)部、外部擾動，并采用非線性反饋控制規(guī)律實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)良的控制性能。
【專利說明】一種飛輪儲能用軸向磁軸承自抗擾控制器的構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于用于飛輪儲能裝置的軸向磁軸承控制【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地講，涉及一 種飛輪儲能用軸向磁軸承自抗擾控制器的構(gòu)造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 采用飛輪儲能裝置儲存能量是具有十分廣泛應(yīng)用前景的新型機(jī)械儲能方式，它是 由電機(jī)驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動飛輪的升速與降速，實現(xiàn)能量的存儲與釋放從而將電能變 換為機(jī)械能，具有可大功率高密度充放電、高儲能密度等優(yōu)點。
[0003] 近年來，磁懸浮軸承(簡稱為磁軸承）作為一種新型的軸承支撐形式，憑借其特有 的優(yōu)點，與飛輪儲能相結(jié)合，構(gòu)成了磁懸浮飛輪儲能技術(shù)。磁懸浮飛輪儲能裝置利用磁軸承 取代傳統(tǒng)的機(jī)械軸承，徹底消除了飛輪和軸承之間的機(jī)械摩擦與磨損問題，具有超高速運 行、低功耗等優(yōu)點，并且可以提高系統(tǒng)的控制精度和飛輪裝置的使用壽命。磁懸浮飛輪儲能 裝置技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電、電力系統(tǒng)調(diào)峰、車輛供能、低地軌道衛(wèi)星儲能、不間斷電源等領(lǐng)域得 到了廣泛研究。而要實現(xiàn)磁懸浮飛輪儲能裝置在上述航空、國防、電力等領(lǐng)域的真正應(yīng)用， 支撐其懸浮運行的磁軸承及其相關(guān)控制技術(shù)最為關(guān)鍵。因此研究飛輪儲能用磁軸承新型的 高性能控制方法，特別是能在實際飛輪儲能裝置中得到真正應(yīng)用的先進(jìn)控制算法，是飛輪 儲能用磁軸承系統(tǒng)研究中一個亟待解決的問題。
[0004] 綜合經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論優(yōu)點的自抗擾控制器，是利用對系統(tǒng)內(nèi)部和外部擾 動的有效觀測和補償，很好地解決了被控對象的不確定性和非線性問題，同時大大提高了 系統(tǒng)的動態(tài)特性。自抗擾控制器主要由跟蹤微分器、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反 饋控制律組成。在標(biāo)準(zhǔn)自抗擾控制器用于無軸承電機(jī)的軸向混合磁軸承系統(tǒng)中的仿真研究 中，結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)自抗擾控制方法比傳統(tǒng)的PID控制方法具有更好的動靜態(tài)特性，但是僅 限于研究仿真計算，并且存在自抗擾控制器參數(shù)適應(yīng)性差的問題。自抗擾控制器涉及的可 調(diào)參數(shù)多，它們的取值將直接影響到系統(tǒng)的控制性能。因此為了增強(qiáng)控制器參數(shù)的適應(yīng)性， 提高飛輪儲能裝置用軸向磁軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并改善其動態(tài)性能，有必要研究一種改進(jìn) 的自抗擾控制方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足、優(yōu)化飛輪儲能用軸向磁軸承控制器的關(guān)鍵 參數(shù)、進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗擾性和工程使用價值而提供一種飛輪儲能用軸向磁軸承自抗擾 控制器的構(gòu)造方法。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是依次采用如下步驟： 1)將開關(guān)功率放大模塊、飛輪儲能用軸向磁軸承、負(fù)載、電渦流位移傳感器、與位移接 口電路作為一個整體構(gòu)成復(fù)合被控對象；復(fù)合被控對象的輸入、輸出分別為軸向控制電流 <和軸向位移Z ; 2) 基于復(fù)合被控對象的輸入、輸出構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入為軸 向位移Z以及復(fù)合被控對象的輸入與模糊補償器輸出的組合;擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 的輸出為軸向位移Z的跟蹤信號&、&的微分信號和用來估計系統(tǒng)模型的未知擾 動信號% ; 3) 將給定軸向位移/作為跟蹤微分器的輸入，跟蹤微分器的輸出是光滑過渡信號 η 和 v2 ; 4) 將跟蹤微分器的兩個輸出r:和巧分別減去擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的兩個輸出q和 I、，得到系統(tǒng)誤差-z:和心=巧-今，該兩個誤差作為非線性狀態(tài)誤差反饋控 制器的兩個輸入； 5) 將擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的一個輸出&加上模糊補償器的輸出J之后，經(jīng)過1/為得 到"f-4- &丨/辦4為可調(diào)參數(shù)，與非線性狀態(tài)誤差反饋控制器的輸出&相結(jié)合作為復(fù) 合被控對象的給定輸入< =? = % ? (￠/+ :? I +·+ A ; 6) 將跟蹤微分器、非線性狀態(tài)誤差反饋控制器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器與模糊補償器作為一 個整體共同構(gòu)成自抗擾控制器，控制復(fù)合被控對象。
[0007] 本發(fā)明的有益效果是： 1、本發(fā)明設(shè)計的飛輪儲能用軸向磁軸承改進(jìn)的自抗擾控制器，通過構(gòu)造系統(tǒng)的擴(kuò)張狀 態(tài)觀測器，能夠自動補償被控對象內(nèi)部、外部擾動，并采用非線性反饋控制規(guī)律實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu) 良的控制性能。
[0008] 2、由于標(biāo)準(zhǔn)自抗擾控制器所需整定的參數(shù)較多，有些參數(shù)之間還存在相互影響， 因此參數(shù)的整定十分困難。本發(fā)明提出的飛輪儲能用軸向磁軸承改進(jìn)的自抗擾控制器，弓丨 入粒子群優(yōu)化算法對控制器關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減少了人工試湊法所需的較大工作量，而 且使改進(jìn)的自抗擾控制器具有更高的控制精度與更強(qiáng)的魯棒性。
[0009]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1是復(fù)合被控對象的構(gòu)成圖； 圖2是本發(fā)明所述一種飛輪儲能用軸向磁軸承自抗擾控制器的構(gòu)成原理框圖； 圖中：1.開關(guān)功率放大模塊；2.飛輪儲能用軸向磁軸承；3.負(fù)載；4.電渦流位移傳感 器；5.位移接口電路；6.復(fù)合被控對象；7.自抗擾控制器；71.跟蹤微分器；72.非線性狀 態(tài)誤差反饋控制器；73.擴(kuò)張狀態(tài)觀測器；74.模糊補償器。
【具體實施方式】
[0011] 本發(fā)明具體的實施分以下8步： 1、如圖1所示，將開關(guān)功率放大模塊1、飛輪儲能用軸向磁軸承2、負(fù)載3、電渦流位移傳 感器4與位移接口電路5作為一個整體構(gòu)成復(fù)合被控對象6 ;開關(guān)功率放大模塊1的輸入為 給定的軸向電流￡，輸出為兩路電流4 一4和，其中i為軸向偏置電流，4 軸向控制電流；飛輪儲能用軸向磁軸承2通過轉(zhuǎn)軸與負(fù)載3相連，電渦流位移傳感器4安裝 在飛輪儲能用軸向磁軸承2內(nèi)部，檢測飛輪儲能用軸向磁軸承2的軸向位移信息，并通過位 移接口電路5得到軸向位移z ;復(fù)合被控對象6的輸入、輸出分別為軸向控制電流 < 和 軸向位移Z。
[0012] 2、如圖2所示，基于復(fù)合被控對象6的輸入、輸出構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測器73,其中擴(kuò) 張狀態(tài)觀測器73的輸入為復(fù)合被控對象6的輸出軸向位移z、以及復(fù)合被控對象6的輸入 與模糊補償器74輸出的組合j ;擴(kuò)張狀態(tài)觀測器73的輸出為今、巧和％，其中巧為軸 向位移z的跟蹤信號，22為今的微分信號，今用來估計系統(tǒng)模型的未知擾動；擴(kuò)張狀態(tài)觀 測器73的數(shù)學(xué)模型為：
【權(quán)利要求】
1. 一種飛輪儲能用軸向磁軸承自抗擾控制器的構(gòu)造方法，其特征是依次按以下步驟： 1) 將開關(guān)功率放大模塊（1)、飛輪儲能用軸向磁軸承（2)、負(fù)載（3)、電渦流位移傳感器 (4)、與位移接口電路（5)作為一個整體構(gòu)成復(fù)合被控對象（6);復(fù)合被控對象（6)的輸入、 輸出分別為軸向控制電流 < 和軸向位移Z ; 2) 基于復(fù)合被控對象（6)的輸入、輸出構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（73)，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 (73)的輸入為軸向位移z以及復(fù)合被控對象（6)的輸入與模糊補償器（74)輸出的組合 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（73)的輸出為軸向位移Z的跟蹤信號&、&的微分信號 2:和用來估計系統(tǒng)模型的未知擾動信號& ; 3) 將給定軸向位移/作為跟蹤微分器（71)的輸入，跟蹤微分器（71)的輸出是光滑 過渡信號r:和込； 4) 將跟蹤微分器（71)的兩個輸出η和^分別減去擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（73)的兩個輸 出石和，得到系統(tǒng)誤差€?.. =Γ. -Ζ.和& =+1% -2,，該兩個誤差作為非線性狀態(tài)誤 1 j. 差反饋控制器（72)的兩個輸入； 5) 將擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（73)的一個輸出；加上模糊補償器（74)的輸出cf之后，經(jīng) 過1 / I)得到《if + / Λ，6為可調(diào)參數(shù)，與非線性狀態(tài)誤差反饋控制器（72)的輸出 相結(jié)合作為復(fù)合被控對象（6)的給定輸入^ = #1 .= r/c ---? + :::1；卜? ; 6) 將跟蹤微分器（71)、非線性狀態(tài)誤差反饋控制器（72)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（73)與模糊 補償器（74)作為一個整體共同構(gòu)成自抗擾控制器（7)，控制復(fù)合被控對象（6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)造方法，其特征在于，步驟2)中，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（73)的 數(shù)學(xué)模型為：
i = 1.15 ； 、爲(wèi)、％ cf, ? 為可調(diào)參數(shù)； 步驟5)中，非線性狀態(tài)誤差反饋控制器（72)的數(shù)學(xué)模型為：
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)造方法，其特征在于，步驟3)中，跟蹤微分器（71)的數(shù)學(xué) 模型為：
為可調(diào)參數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的構(gòu)造方法，其特征在于：可調(diào)參數(shù)病、爲(wèi)，爲(wèi)，A,癢 利用粒子群優(yōu)化算法按以下步驟進(jìn)行優(yōu)化： 1) 設(shè)置自抗擾控制器（7)的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗及飛輪儲能用軸向磁軸承的實際懸浮 工作性能，選定自抗擾控制器（7)的相關(guān)參數(shù)：14 . 4 ; 2) 初始化粒子群算法的相關(guān)參數(shù)，包括確定粒子數(shù)，空間維數(shù)H，學(xué)習(xí)因子~和A ; 設(shè)定第/個粒子?時刻的位置和速度初值矢量分別為： = - ,xUi . ；初始化 * 時刻局部與全部 最優(yōu)粒子位置分別為： Ρ' =(Ρ'；-Ρχ?-· · Pr = ?Ρ；：*Ps：f""rPgi? ·^·PTj > ，其 中 <? = -^/3 < 3) 選取系統(tǒng)誤差絕對值的時間積分函數(shù)做為評價每個粒子性能好壞的適應(yīng)值函數(shù)： J* = I Λ"ι·: |;<-，)|- 11:, - It:; ,其中 4X?)為系統(tǒng)誤差， 權(quán)值，％為懲罰因子，/<0為控制能量的綜合； 4) 對每個粒子的適應(yīng)度值進(jìn)行計算； 5) 對每個粒子當(dāng)前的適應(yīng)度值進(jìn)行比較，如果其值小于所經(jīng)歷的最好位置，則將其作 為當(dāng)前的最好位置；如果其值小于種群中所有粒子的最好位置，則將其作為種群中當(dāng)前最 好位置； 6) 對粒子速度和位置進(jìn)行更新：
7) 判斷是否達(dá)到規(guī)定誤差或者最大的迭代次數(shù)，如果滿足要求，結(jié)束優(yōu)化過程，得到優(yōu) 化的參數(shù)值，否則回到步驟4)。
【文檔編號】H02P21/00GK104113252SQ201310491326
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】楊澤斌, 楊飛, 孫曉東, 余佩玉, 董大偉, 朱熀秋, 諸德宏 申請人:江蘇大學(xué)