[发明专利]一种飞轮储能用轴向磁轴承自抗扰控制器的构造方法

说明书

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，并且可以提高系统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、电力系统调峰、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系统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，是利用对系统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，同时大大提高了系统的动态特性。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系统中的仿真研究中，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系统的控制性能。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系统的稳定性，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、进一步提高系统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系统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，得到系统误差和，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，通过构造系统的扩张状态观测器，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系统优良的控制性能。

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