CN104113252A - 一种飞轮储能用轴向磁轴承自抗扰控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种飞轮储能用轴向磁轴承自抗扰控制器的构造方法，基于复合被控对象的输入、输出构造扩张状态观测器，将给定轴向位移作为跟踪微分器输入，将跟踪微分器的两个输出分别减去扩张状态观测器的两个输出得到两个误差作为非线性状态误差反馈控制器的两个输入，将扩张状态观测器的未知扰动信号输出加上模糊补偿器的输出之后，经过得到后与非线性状态误差反馈控制器的输出相结合作为复合被控对象的给定输入；将跟踪微分器、非线性状态误差反馈控制器、扩张状态观测器与模糊补偿器作为一个整体共同构成自抗扰控制器；通过构造***的扩张状态观测器，自动补偿被控对象内部、外部扰动，并采用非线性反馈控制规律实现***优良的控制性能。

Description

一种飞轮储能用轴向磁轴承自抗扰控制器的构造方法

技术领域

本发明属于用于飞轮储能装置的轴向磁轴承控制技术领域，更具体地讲，涉及一种飞轮储能用轴向磁轴承自抗扰控制器的构造方法。 

背景技术

采用飞轮储能装置储存能量是具有十分广泛应用前景的新型机械储能方式，它是由电机驱动飞轮高速旋转，带动飞轮的升速与降速，实现能量的存储与释放从而将电能变换为机械能，具有可大功率高密度充放电、高储能密度等优点。 

近年来，磁悬浮轴承（简称为磁轴承）作为一种新型的轴承支撑形式，凭借其特有的优点，与飞轮储能相结合，构成了磁悬浮飞轮储能技术。磁悬浮飞轮储能装置利用磁轴承取代传统的机械轴承，彻底消除了飞轮和轴承之间的机械摩擦与磨损问题，具有超高速运行、低功耗等优点，并且可以提高***的控制精度和飞轮装置的使用寿命。磁悬浮飞轮储能装置技术在风力发电、电力***调峰、车辆供能、低地轨道卫星储能、不间断电源等领域得到了广泛研究。而要实现磁悬浮飞轮储能装置在上述航空、国防、电力等领域的真正应用，支撑其悬浮运行的磁轴承及其相关控制技术最为关键。因此研究飞轮储能用磁轴承新型的高性能控制方法，特别是能在实际飞轮储能装置中得到真正应用的先进控制算法，是飞轮储能用磁轴承***研究中一个亟待解决的问题。 

综合经典控制和现代控制理论优点的自抗扰控制器，是利用对***内部和外部扰动的有效观测和补偿，很好地解决了被控对象的不确定性和非线性问题，同时大大提高了***的动态特性。自抗扰控制器主要由跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性状态误差反馈控制律组成。在标准自抗扰控制器用于无轴承电机的轴向混合磁轴承***中的仿真研究中，结果表明标准自抗扰控制方法比传统的PID控制方法具有更好的动静态特性，但是仅限于研究仿真计算，并且存在自抗扰控制器参数适应性差的问题。自抗扰控制器涉及的可调参数多，它们的取值将直接影响到***的控制性能。因此为了增强控制器参数的适应性，提高飞轮储能装置用轴向磁轴承***的稳定性，并改善其动态性能，有必要研究一种改进的自抗扰控制方法。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足、优化飞轮储能用轴向磁轴承控制器的关键参数、进一步提高***的抗扰性和工程使用价值而提供一种飞轮储能用轴向磁轴承自抗扰控制器的构造方法。 

本发明采用的技术方案是依次采用如下步骤： 

1）将开关功率放大模块、飞轮储能用轴向磁轴承、负载、电涡流位移传感器、与位移接口电路作为一个整体构成复合被控对象；复合被控对象的输入、输出分别为轴向控制电流 和轴向位移；

2）基于复合被控对象的输入、输出构造扩张状态观测器，扩张状态观测器的输入为轴向位移以及复合被控对象的输入与模糊补偿器输出的组合；扩张状态观测器的输出为轴向位移的跟踪信号、的微分信号和用来估计***模型的未知扰动信号；

3）将给定轴向位移作为跟踪微分器的输入，跟踪微分器的输出是光滑过渡信号和；

4）将跟踪微分器的两个输出和分别减去扩张状态观测器的两个输出和，得到***误差和，该两个误差作为非线性状态误差反馈控制器的两个输入；

5）将扩张状态观测器的一个输出加上模糊补偿器的输出之后，经过得到，b为可调参数，与非线性状态误差反馈控制器的输出相结合作为复合被控对象的给定输入；

6）将跟踪微分器、非线性状态误差反馈控制器、扩张状态观测器与模糊补偿器作为一个整体共同构成自抗扰控制器，控制复合被控对象。 

本发明的有益效果是： 

1、本发明设计的飞轮储能用轴向磁轴承改进的自抗扰控制器，通过构造***的扩张状态观测器，能够自动补偿被控对象内部、外部扰动，并采用非线性反馈控制规律实现***优良的控制性能。

2、由于标准自抗扰控制器所需整定的参数较多，有些参数之间还存在相互影响，因此参数的整定十分困难。本发明提出的飞轮储能用轴向磁轴承改进的自抗扰控制器，引入粒子群优化算法对控制器关键参数进行优化，减少了人工试凑法所需的较大工作量，而且使改进的自抗扰控制器具有更高的控制精度与更强的鲁棒性。 

  

附图说明

图1是复合被控对象的构成图； 

图2是本发明所述一种飞轮储能用轴向磁轴承自抗扰控制器的构成原理框图；

图中：1.开关功率放大模块；2.飞轮储能用轴向磁轴承；3.负载；4.电涡流位移传感器；5.位移接口电路；6.复合被控对象；7.自抗扰控制器；71.跟踪微分器； 72.非线性状态误差反馈控制器；73.扩张状态观测器；74.模糊补偿器。

具体实施方式

本发明具体的实施分以下8步： 

1、如图1所示，将开关功率放大模块1、飞轮储能用轴向磁轴承2、负载3、电涡流位移传感器4与位移接口电路5作为一个整体构成复合被控对象6；开关功率放大模块1的输入为给定的轴向电流，输出为两路电流和，其中为轴向偏置电流，轴向控制电流；飞轮储能用轴向磁轴承2通过转轴与负载3相连，电涡流位移传感器4安装在飞轮储能用轴向磁轴承2内部，检测飞轮储能用轴向磁轴承2的轴向位移信息，并通过位移接口电路5得到轴向位移；复合被控对象6的输入、输出分别为轴向控制电流和轴向位移。 

2、如图2所示，基于复合被控对象6的输入、输出构造扩张状态观测器73，其中扩张状态观测器73的输入为复合被控对象6的输出轴向位移、以及复合被控对象6的输入与模糊补偿器74输出的组合；扩张状态观测器73的输出为、和，其中为轴向位移的跟踪信号，为的微分信号，用来估计***模型的未知扰动；扩张状态观测器73的数学模型为： 

            （1）

其中，

；、、、、、、、为可调参数；为扰动补偿信号，是***的动态扰动总和。

3、将给定轴向位移作为跟踪微分器71的输入，跟踪微分器71根据复合被控对象6性能及其控制需求，给轴向位移安排合适的参考轨迹的过渡过程，从而可以得到光滑过渡信号和；跟踪微分器71的数学模型为： 

，                       （2）

其中，为可调参数。

4、将跟踪微分器71的两个输出和分别减去扩张状态观测器73的两个输出和，得到***误差，该误差作为非线性状态误差反馈控制器72的两个输入；非线性状态误差反馈控制器72的数学模型为： 

  （3）

 其中，

为可调参数；

5、利用粒子群优化算法按以下步骤对扩张状态观测器73和非线性状态误差反馈控制器72的关键参数、、、、进行优化：

1）设置自抗扰控制器7的相关参数。根据经验以及飞轮储能用轴向磁轴承的实际悬浮工作性能，选定自抗扰控制器7的相关参数，即、、、、、、、、。

2）初始化粒子群算法的相关参数，包括确定粒子数，空间维数，学习因子和；设定第个粒子时刻的位置和速度初值矢量分别为： 

                     （4）

                    （5）

初始化时刻局部与全部最优粒子位置分别为

                 （6）

              （7）

其中。

3）选取***误差绝对值的时间积分函数做为评价每个粒子性能好坏的适应值函数，如下式（8）所示： 

           （8）

其中为***误差，、为权值，为惩罚因子，为控制能量的综合。

4）按上式（8）对每个粒子的适应度值进行计算。 

5）对每个粒子当前的适应度值进行比较，如果其值小于所经历的最好位置，则将其作为当前的最好位置；如果其值小于种群中所有粒子的最好位置，则将其作为种群中当前最好位置。 

6）按如下两式（9）~（10）对粒子速度和位置进行更新： 

，            （9）

 ，                              （10）

7）判断是否达到规定误差或者最大的迭代次数，如果满足要求，结束优化过程，得到优化的参数值，否则回到步骤4）。

6、确定模糊补偿器74的输入信号为扩张状态观测器73的两个输出信号和，输出为扰动补偿信号；制定模糊子集为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，其中NB和PB的隶属度函数分别选为“amf”和“smf”，其余隶属度函数选为“trimf”，并选用Min-Max方法进行模糊推理和解模糊。 

7、将扩张状态观测器73的一个输出加上模糊补偿器74的输出d之后，经过得到，其中b为可调参数，该信号与非线性状态误差反馈控制器72的输出相结合作为复合被控对象6的给定输入，即。 

8、如图2所示，将跟踪微分器71、非线性状态误差反馈控制器72、扩张状态观测器73与模糊补偿器74作为一个整体共同构成自抗扰控制器7，控制复合被控对象6。 

根据以上所述，便可以实现本发明。 

Claims (4)

1.一种飞轮储能用轴向磁轴承自抗扰控制器的构造方法，其特征是依次按以下步骤：

1）将开关功率放大模块（1）、飞轮储能用轴向磁轴承（2）、负载（3）、电涡流位移传感器（4）、与位移接口电路（5）作为一个整体构成复合被控对象（6）；复合被控对象（6）的输入、输出分别为轴向控制电流 和轴向位移；

2）基于复合被控对象（6）的输入、输出构造扩张状态观测器（73），扩张状态观测器（73）的输入为轴向位移以及复合被控对象（6）的输入与模糊补偿器（74）输出的组合；扩张状态观测器（73）的输出为轴向位移的跟踪信号、的微分信号和用来估计***模型的未知扰动信号；

3）将给定轴向位移作为跟踪微分器（71）的输入，跟踪微分器（71）的输出是光滑过渡信号和；

4）将跟踪微分器（71）的两个输出和分别减去扩张状态观测器（73）的两个输出和，得到***误差和，该两个误差作为非线性状态误差反馈控制器（72）的两个输入；

5）将扩张状态观测器（73）的一个输出加上模糊补偿器（74）的输出之后，经过得到，b为可调参数，与非线性状态误差反馈控制器（72）的输出相结合作为复合被控对象（6）的给定输入；

6）将跟踪微分器（71）、非线性状态误差反馈控制器（72）、扩张状态观测器（73）与模糊补偿器（74）作为一个整体共同构成自抗扰控制器（7），控制复合被控对象（6）。

2.根据权利要求1所述的构造方法，其特征在于，步骤2）中，扩张状态观测器（73）的数学模型为：

，

其中：，

为可调参数；

步骤5）中，非线性状态误差反馈控制器（72）的数学模型为：

；

其中：

为可调参数。

3.根据权利要求1所述的构造方法，其特征在于，步骤3）中，跟踪微分器（71）的数学模型为：

，

为可调参数。

4.根据权利要求2所述的构造方法，其特征在于：可调参数利用粒子群优化算法按以下步骤进行优化：

1）设置自抗扰控制器（7）的相关参数，根据经验及飞轮储能用轴向磁轴承的实际悬浮工作性能，选定自抗扰控制器（7）的相关参数：；

2）初始化粒子群算法的相关参数，包括确定粒子数，空间维数，学习因子和；设定第个粒子时刻的位置和速度初值矢量分别为：

；初始化时刻局部与全部最优粒子位置分别为：

，其中；

3）选取***误差绝对值的时间积分函数做为评价每个粒子性能好坏的适应值函数：

，其中为***误差，、为权值，为惩罚因子，为控制能量的综合；

4）对每个粒子的适应度值进行计算；

5）对每个粒子当前的适应度值进行比较，如果其值小于所经历的最好位置，则将其作为当前的最好位置；如果其值小于种群中所有粒子的最好位置，则将其作为种群中当前最好位置；

6）对粒子速度和位置进行更新：

，；

7）判断是否达到规定误差或者最大的迭代次数，如果满足要求，结束优化过程，得到优化的参数值，否则回到步骤4）。