[发明专利]基于马尔可夫跳变理论的飞轮电池磁轴承系统的控制方法

说明书

本发明公开了一种基于马尔可夫跳变理论的飞轮电池磁轴承系统的控制方法，包括以下步骤：基于齐次马尔可夫链，建立磁轴承系统在低速模态、中速模态和高速模态下的状态空间模型，并计算磁轴承系统在三种模态之间切换的转移概率矩阵；确定分别在三种模态下使得磁轴承闭环控制系统稳定的状态反馈控制器；根据磁轴承系统的模态，利用不同的状态反馈控制器控制磁轴承系统。与传统单一模态磁轴承控制系统相比，本方法根据磁轴承转子在不同转速下的运动特性，提出了磁轴承系统分别在高速模态、中速模态和低速模态下的空间状态模型，分别设计出在三种模态下使磁轴承闭环控制系统稳定的状态反馈控制器，使用不同的状态反馈控制器，有效提高控制系统性能。

技术领域

本发明涉及一种用于磁轴承的集中控制方法，具体涉及一种基于马尔可夫跳变理论的飞轮电池磁轴承系统的控制方法。

背景技术

动力电池是电动汽车的心脏，是新能源汽车产业发展的关键。飞轮储能系统采用磁悬浮轴承可实现飞轮超高速旋转，具有功耗低、无磨损、超静音等优点。为了实现对飞轮转子运转的高精度控制，研究人员分别从磁轴承的拓扑结构、不平衡振动及陀螺效应对稳定性的影响展开了大量研究，并取得一系列成果。

然而，上述的研究工作主要集中在对单一系统模型的磁悬浮轴承稳定性分析和控制器设计，并未考虑到飞轮电池用磁轴承系统在充电、放电和空载运行等不同工况下的过程运动控制。对磁悬浮系统的稳定性控制研究仍然具有很强的挑战性，主要是因为磁悬浮储能飞轮在运行时，转速变化范围大、速度快，利用单一的线性时不变控制器对其进行控制，很难同时满足系统的高精度控制和稳定性要求。为了更加准确有效的实现对磁轴承系统运行的稳定性控制，有必要对考虑系统在不同工作模态之间切换情况下的控制方法进行研究。

发明内容

本发明的目的是提出基于马尔可夫跳变理论的飞轮电池磁轴承系统的控制方法，可有效解决系统在不同工作模态之间切换情况下的稳定性控制问题。

本发明的具体技术方案如下：一种基于马尔可夫跳变理论的飞轮电池磁轴承系统的控制方法，包括以下步骤：

基于齐次马尔可夫链，建立磁轴承系统在低速模态、中速模态和高速模态下的状态空间模型，并统计计算磁轴承系统在上述三种模态之间切换的转移概率矩阵；

设计分别在上述三种模态下使得磁轴承闭环控制系统稳定的状态反馈控制器；

根据当前磁轴承系统的模态，利用不同的状态反馈控制器控制磁轴承系统。

进一步，所述磁轴承系统的状态空间模型如下所示：

其中，i表示系统在第i模态，i＝1时上式表示磁轴承系统在低速模态下的状态空间模型，i＝2时上式表示磁轴承系统在中速模态下的状态空间模型，i＝3时上式表示磁轴承系统在高速模态下的状态空间模型；

式中，x(t)表示t时刻的系统状态，z(t)表示t时刻的性能输出，u(t)表示t时刻的控制输入，表示t时刻的扰动输入，表示t时刻的外部噪声扰动，v(t)表示t时刻的质量不平衡扰动，A_i、B_i、E_i和H_i均为系统矩阵。

进一步，设计分别在上述三个模态下使得磁轴承闭环控制系统稳定的状态反馈控制器的具体步骤包括：由三种模态下的磁轴承系统的状态空间模型，获得三种模态下的包括状态反馈控制器的磁轴承闭环控制系统，求得磁轴承闭环控制系统的李雅普诺夫函数的导数并要求其负定，利用H_∞控制理论推导出三种模态下对应的线性矩阵不等式条件，求解线性矩阵不等式得到分别在三种模态下使得磁轴承闭环控制系统稳定的控制增益，从而获得三种模态下的状态反馈控制器。