[发明专利]风力机舱模糊滑模自适应两端悬浮控制方法

说明书

本发明公开了一种风力机舱模糊滑模自适应两端悬浮控制方法，由于风力机舱桨叶侧与尾翼侧受力面积差别较大导致俯仰运动，风力机舱模型无法准确获取，提出了一种模糊滑模自适应悬浮控制方法。采用滑模主控制完成额定工况下快速跟踪，模糊自适应补偿不确定性部分以及影响同步部分，滑模控制作为主控制项，得到理想控制律，由于系统存在干扰，参数时变等不确定项和模型交叉耦合等不同步项，故使用模糊系统逼近的方法实现理想控制律的逼近，利用Lyapunov函数设计悬浮气隙模型中参数的自适应控制，在线获取模型参数。本发明极大提升了机舱悬浮稳定性，抗干扰性和同步性能，使机舱无摩擦偏航迎风，对模型不能精确获取的悬浮控制具有指导意义。

技术领域

本发明涉及一种水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制方法，尤其是一种应用于水平轴风力发电系统机舱稳定悬浮后偏航对风，解决桨叶侧和尾翼侧迎风面积差异极易导致机舱俯仰，属于风力发电磁悬浮领域。

背景技术

风力磁悬浮偏航系统结构复杂，前后侧迎风面积不同，系统参数时变，不能提供精确的系统模型，存在悬浮稳定性方面的问题，为此曲阜师范大学新能源研究所提出了风力磁悬浮偏航系统，极大提高悬浮稳定性，使机舱抗干扰性能显著提升，为风力机舱稳定偏航奠定基础。专利202010708203进行了基于自适应神经网络的控制，专利202010552436进行了同步悬浮控制的研究，但其只考虑了其中某一方面的情况，不能既保证悬浮跟踪的同时减小同步误差。风力机舱是一个参数时变的系统，无法提供精确的系统模型，控制精度提高有限，且系统动态响应速度低，不能快速应对各种变化复杂的工况环境，为此众多科研工作者先后进行了传统PID控制、基于Backstepping自适应控制以及模型预测控制策略的研究，某种程度上实现了多自由度悬浮系统位置精确控制，但控制器的设计过分依赖于模型，根本无法提升跟踪性能、同步性能以及抗干扰能力，机舱偏航精度得不到提升。

发明内容

本发明目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制方法，其特征在于：采用基于悬浮气隙外环和电流内环相结合的控制结构，协同完成机舱两端悬浮和俯仰抑制；所述悬浮气隙外环采用模糊自适应悬浮滑模控制，为电流内环提供电流参考，包括滑摸主控制部分和模糊自适应补偿部分，所述滑模主控制部分完成两端气隙额定工况下的跟踪控制，采用自适应优化的边界层以及非线性函数，协同消除滑模抖振；所述模糊自适应补偿部分用于逼近模型中的不确定项和影响同步部分，解决由于两侧气隙存在交叉耦合所产生的不同步问题，其上所有的控制算法共同完成输入电流内环的参考电流设定，所述电流参考跟踪控制由BUCK电路完成，确保机舱稳定快速悬浮。

2、根据权利要求1所述的风力机舱模糊滑模自适应两端悬浮控制方法，包括以下步骤：

步骤1构建风力机舱的俯仰和轴向两自由度悬浮模型

其中，ω为俯仰角速度，θ为俯仰角度，μ₀为真空磁导率，N为两侧悬浮绕组匝数，S为磁极面积，i₁和i₂分别为桨叶侧和尾翼侧励磁电流，δ₁和δ₂分别为前后侧悬浮气隙，J为机舱俯仰转动惯量，m为风力机舱质量；g为重力加速度；δ为轴向悬浮气隙；f_d为机舱轴向干扰；T_S为机舱倾覆力矩，R为机舱旋转半径。

步骤2风机机舱两侧悬浮动态模型转化

采用坐标变换将式(1)两自由度运动方程，转化为以前后侧气隙运动方程为

其中，步骤3设计滑模自适应控制器

第一步，设置两侧悬浮气隙跟踪误差为e_i＝δ_i-δ_ref，其中i为1或2，δ₁,δ₂分别对应桨叶侧和尾翼侧悬浮气隙，以桨叶侧为例，引入虚拟控制变量为