本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制方法，先由給定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算誤差量，然后計(jì)算滑動模態(tài)變量；將滑動模態(tài)變量經(jīng)低通濾波器調(diào)制后得到等效控制信號，以等效控制信號為輸入，設(shè)計(jì)雙層自適應(yīng)算法在線調(diào)整控制增益；將滑動模態(tài)變量和控制增益輸入到設(shè)計(jì)的超螺旋控制算法中，獲得控制電壓。由該方法控制的閉環(huán)系統(tǒng)能夠在有限時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定調(diào)節(jié)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，具有良好的魯棒性和控制精度。為飛輪系統(tǒng)高精度轉(zhuǎn)速控制的工程實(shí)現(xiàn)提供了有效的手段。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及自動控制
，具體的涉及一種直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制方法。
技術(shù)介紹
飛輪系統(tǒng)是得到廣泛應(yīng)用的主動控制系統(tǒng)。現(xiàn)代航天器對姿態(tài)控制系統(tǒng)的精度、壽命和可靠性要求越來越高，通常采用飛輪系統(tǒng)組成的三軸穩(wěn)定系統(tǒng)來滿足其性能要求。飛輪系統(tǒng)不消耗工質(zhì)，只消耗電能；能夠產(chǎn)生較精確的控制力矩，控制精度較推力器高出一個(gè)數(shù)量級；適于吸收周期性干擾的影響。因此，目前在中、高軌道上長期工作的航天器，都是安裝了飛輪系統(tǒng)的三軸穩(wěn)定航天器。飛輪系統(tǒng)的工作原理就是“動量矩定理”，即航天器的總動量矩矢量對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，等于作用在航天器上的外力矩矢量之和。通過改變航天器上飛輪系統(tǒng)的高速旋轉(zhuǎn)部件(即轉(zhuǎn)子)的動量矩矢量，從而產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子動量矩變化率成正比的控制力矩，作用于航天器基座上，使其動量矩相應(yīng)的變化，這一過程稱為動量矩交換。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，飛輪系統(tǒng)可以分為：慣性輪、控制力矩陀螺和框架動量輪三種類型。如果飛輪系統(tǒng)的支承與航天器固連，飛輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸相對航天器基座不變，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以變化，這樣的飛輪就稱為“慣性輪”。如果轉(zhuǎn)子保持勻速旋轉(zhuǎn)并被安裝在框架上，而框架又可以相對航天器基座轉(zhuǎn)動，就稱這種飛輪為“控制力矩陀螺”。如果在控制力矩陀螺的基礎(chǔ)上，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以變化，就得到了“框架動量輪”。從飛輪系統(tǒng)的工作原理和工作方式可以看出，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是實(shí)現(xiàn)動量矩交換的關(guān)鍵物理量。轉(zhuǎn)子在電機(jī)的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)工作方式的不同，保持恒定轉(zhuǎn)速或跟蹤變化的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。因此，需要對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制。目前，對轉(zhuǎn)速的控制方法主要有PID(比例、積分和微分)控制和滑?？刂啤ID控制通過測量轉(zhuǎn)速誤差，經(jīng)并聯(lián)的比例、積分和微分通道后產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動力矩，作用在轉(zhuǎn)子上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制?？刂菩Ч麆t取決于是否選取了合適的“比例增益、積分增益和微分增益”三個(gè)控制參數(shù)。PID控制具有計(jì)算簡單、易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但是從理論上來講，PID控制效果至多能達(dá)到“漸近穩(wěn)定”，即實(shí)際轉(zhuǎn)速只能無限接近于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，但不能完全等于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。特別地，轉(zhuǎn)子在實(shí)際工作環(huán)境中必然會受到干擾力矩的影響，比如，轉(zhuǎn)軸與支撐間存在摩擦，或者轉(zhuǎn)子磁化后在航天器電磁環(huán)境中受到電磁力作用等。此時(shí)，PID控制效果只能達(dá)到“一致有界”，即實(shí)際轉(zhuǎn)速只能進(jìn)入包含目標(biāo)轉(zhuǎn)速的一個(gè)鄰域內(nèi)，控制誤差將一直存在。為此，部分研究者開始嘗試采用滑模控制方法對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制?；？刂仆ㄟ^構(gòu)造滑模變量，迫使轉(zhuǎn)子運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)入滑模動態(tài)，進(jìn)入滑模動態(tài)后轉(zhuǎn)子的運(yùn)動將不受干擾力矩的影響，可以在有限時(shí)間內(nèi)使實(shí)際轉(zhuǎn)速等于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。但是滑?？刂坡芍邪_關(guān)項(xiàng)函數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動進(jìn)入滑模動態(tài)后，控制器將產(chǎn)生不連續(xù)的高頻抖振信號，不僅帶來了工程實(shí)現(xiàn)上的困難，還增加了控制所需的能耗。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供了一種直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制方法。本專利技術(shù)提供方法的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其以直流電機(jī)驅(qū)動下的飛輪系統(tǒng)為被控對象，控制目標(biāo)是使飛輪系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件的實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望的目標(biāo)轉(zhuǎn)速一致。設(shè)計(jì)了一種超螺旋控制算法，產(chǎn)生的控制電壓作為驅(qū)動電機(jī)的控制輸入信號，實(shí)現(xiàn)了對模型不確定性和外界擾動的魯棒控制；為有效抑制開關(guān)項(xiàng)函數(shù)引起的抖振，同時(shí)使超螺旋控制算法中的控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以低通濾波器輸出的等效控制信號為輸入，以超螺旋控制算法的控制增益為輸出，設(shè)計(jì)了雙層自適應(yīng)算法，通過低通濾波器對滑動模態(tài)變量的采樣濾波，在線調(diào)整控制增益；其中，滑動模態(tài)變量根據(jù)誤差量計(jì)算，誤差量為目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差。由該方法控制的閉環(huán)系統(tǒng)能夠在有限時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定調(diào)節(jié)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，具有良好的魯棒性和控制精度。為飛輪系統(tǒng)高精度轉(zhuǎn)速控制的工程實(shí)現(xiàn)提供了有效的手段。本專利技術(shù)提供了一種直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制方法，包括以下步驟：步驟S100：由目標(biāo)轉(zhuǎn)速和測量得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差量e，然后計(jì)算滑動模態(tài)變量；步驟S200：將滑動模態(tài)變量經(jīng)低通濾波器調(diào)制后得到等效控制信號，以等效控制信號為輸入，以控制增益為輸出，通過雙層自適應(yīng)算法選擇自適應(yīng)參數(shù)，得到控制增益；其中此步驟稱為雙層自適應(yīng)算法設(shè)計(jì)，所得雙層自適應(yīng)算法流程如圖2所示。步驟S300：建立直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速模型，以步驟S200中所述的滑動模態(tài)變量為輸入，結(jié)合所得所述的控制增益，設(shè)計(jì)超螺旋控制算法，調(diào)整控制參數(shù)，得到電機(jī)的控制電壓；此步驟S300為超螺旋控制算法設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用中，飛輪轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器測量測到，將有該方法計(jì)算得到的控制電壓輸入到驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)帶動飛輪轉(zhuǎn)子即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。其中，在步驟S100中所述的目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的誤差量，其計(jì)算方法為：e＝ΩC-Ω(1)ΩC為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，Ω為實(shí)際轉(zhuǎn)速。其中，在步驟S200中所述的滑動模態(tài)變量，其計(jì)算方法為s=e·+|e|1/2sgn(e)+ke---(2)]]>函數(shù)sgn(e)為符號函數(shù)，定義為sgn(e)=1,e>00,e=0-1,e<0---(3)]]>參數(shù)k為大于零的常數(shù)。其中，在步驟S200中所述的設(shè)計(jì)雙層自適應(yīng)算法，其方法如下：1)計(jì)算等效控制信號利用低通濾波器獲得等效控制信號，其計(jì)算方法如下：σ·=1τ(sgn(s)-σ)u^eq=β(t)σ+κ(t)s---(4)]]>式中，τ為濾波器時(shí)間常數(shù)，取值滿足0<τ＜＜1，s為步驟S200中所述的滑動模態(tài)變量，σ為低通濾波信號，sgn(s)為符號函數(shù)，為步驟S200中所述的等效控制信號，β(t)和κ(t)為時(shí)變控制參數(shù)，計(jì)算方法如下β(t)＝L(t)β0(5)κ(t)＝L2(t)κ0(6)β0和κ0為控制參數(shù)。2)設(shè)計(jì)雙層自適應(yīng)算法式(5)和(6)中的L(t)為步驟S200中所述的控制增益，其計(jì)算方法如下L(t)＝l0+l(t)(7)式中，l0為大于0的常值自適應(yīng)參數(shù)，l(t)為時(shí)變自適應(yīng)參數(shù)，其計(jì)算方法如下l·(t)=L·(t)=-ρ(t)sgn(δ)---(8)]]>式中，δ的計(jì)算方法如下δ(t)=L(t)-1aβ0|u^eq(t)|-ϵ---(9)]]>其中，a>0為常值自適應(yīng)參數(shù)，同時(shí)滿足0<aβ0<1，β0即是式(5)中的控制參數(shù)；ε>0為非常小的常值自適應(yīng)參數(shù)；式(8)中的ρ(t)的計(jì)算方法如下ρ(t)＝r0+r(t)(10)r0>0為常值自適應(yīng)參數(shù)；時(shí)變部分r(t)的計(jì)算方法為r·(t)=γ|δ(t)|---(11)]]>γ>0為常值自適應(yīng)參數(shù)。本專利技術(shù)中雙層自適應(yīng)算法的計(jì)算流程如圖2所示。其中，在步驟S300中所述的設(shè)計(jì)超螺旋控制算法，其方法如下：1)建立直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速模型直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其工作原理如圖5所示。圖4中電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上套設(shè)有轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)軸驅(qū)動轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的另一端設(shè)置支承轉(zhuǎn)軸的軸承類構(gòu)件。圖5中，負(fù)載為與電機(jī)輸出軸相連接的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸和支承構(gòu)件，電機(jī)為直流電機(jī)，包括依次與電源相串聯(lián)的電感、本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S100：由目標(biāo)轉(zhuǎn)速和測量得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差量e，然后計(jì)算滑動模態(tài)變量；步驟S200：將滑動模態(tài)變量經(jīng)低通濾波器調(diào)制后得到等效控制信號，以等效控制信號為輸入，以控制增益為輸出，構(gòu)建雙層自適應(yīng)算法并設(shè)定自適應(yīng)參數(shù)，得到控制增益步驟S300：建立直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速模型，以步驟S200中的滑動模態(tài)變量為輸入，結(jié)合所得所述的控制增益，構(gòu)建超螺旋控制算法，調(diào)整控制參數(shù)，得到電機(jī)的控制電壓；所述步驟S200中所述雙層自適應(yīng)算法按以下步驟獲得：1)計(jì)算等效控制信號利用低通濾波器獲得等效控制信號：σ·=1τ(sgn(s)-σ)u^eq=β(t)σ+κ(t)s---(4)]]>式中，τ為濾波器時(shí)間常數(shù)，取值滿足0<τ＜＜1，s為步驟S200中所述的滑動模態(tài)變量，σ為低通濾波信號，sgn(s)為符號函數(shù)，為步驟S200中所述的等效控制信號，β(t)和κ(t)為時(shí)變控制參數(shù)，按公式(5)～(6)計(jì)算：β(t)＝L(t)β0??(5)κ(t)＝L2(t)κ0??(6)β0和κ0為控制參數(shù)；2)構(gòu)建雙層自適應(yīng)算法式(5)和(6)中的L(t)為步驟S200中所述的控制增益，按公式(7)計(jì)算：L(t)＝l0+l(t)??(7)式中，l0為大于0的常值自適應(yīng)參數(shù)，l(t)為時(shí)變自適應(yīng)參數(shù)，按公式(8)計(jì)算：l·(t)=L·(t)=-ρ(t)sgn(δ)---(8)]]>式中，δ按公式(9)計(jì)算：δ(t)=L(t)-1aβ0|u^eq(t)|-ϵ---(9)]]>其中，a>0為常值自適應(yīng)參數(shù)，同時(shí)滿足0<aβ0<1，β0即是式(5)中的控制參數(shù)；ε>0為非常小的常值自適應(yīng)參數(shù)；式(8)中的ρ(t)按公式(10)計(jì)算：ρ(t)＝r0+r(t)??(10)r0>0為常值自適應(yīng)參數(shù)；時(shí)變部分r(t)按公式(11)計(jì)算：r·(t)=γ|δ(t)|---(11)]]>γ>0為常值自適應(yīng)參數(shù)；所述步驟S300中所述超螺旋控制算法通過以下步驟得到：1)建立直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速模型根據(jù)所處理直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速微分方程為：T1Ω··+T2Ω·+Ω=Kmua-K1M·c-K2Mc---(12)]]>式中，ua為輸入到電機(jī)的控制電壓，Mc為折合到電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為折合到電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩的一階微分，為轉(zhuǎn)速的一階微分，為轉(zhuǎn)速的二階微分，T1和T2為電動機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)按公式(13)計(jì)算：T1=LaJmRafm+CmCe---(13)]]>T2=Lafm+RaJmRafm+CmCe---(14)]]>Km、K1和K2為電機(jī)傳遞系數(shù)按公式(15)～(17)計(jì)算：Km=CmRafm+CmCe---(15)]]>K1=LaRafm+CmCe---(16)]]>K2=RaRafm+CmCe---(17)]]>在公式(13)至公式(17)中，Ra是電樞電路的電阻，La是電樞電路的電感，Jm是電機(jī)和負(fù)載折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，fm是電機(jī)和負(fù)載折合到電機(jī)軸上的黏性摩擦系數(shù)，Cm是電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Ce是電機(jī)反電勢系數(shù)；2)設(shè)計(jì)構(gòu)建超螺旋控制算法根據(jù)步驟S200中的滑動模態(tài)變量s，得到如公式(18)所示的超螺旋控制算法：ua=T1*Km*[α(t)|s|1/2sgn(s)+η(t)s-z-φ]z·=-β(t)sgn(s)-κ(t)s---(18)]]>式中，和分別為機(jī)電時(shí)間常數(shù)T1和電機(jī)傳遞系數(shù)Km的標(biāo)稱值，時(shí)變控制參數(shù)β(t)和κ(t)的計(jì)算方法如公式(5)和(6)所述，α(t)和η(t)按公式(19)～(20)計(jì)算：α(t)=L(t)α0---(19)]]>η(t)＝L(t)η0???(20)常值控制參數(shù)α0、β0、η0和κ0的取值要滿足如公式(21)所示的約束條件：α0>51/4,η0>0,β0>1,κ0>8η02β0+22η02+9α02η024(β0-1)---(21)]]>附加項(xiàng)φ按公式(22)計(jì)算：φ(s,L)=-L·(t)L(t)s(t...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S100：由目標(biāo)轉(zhuǎn)速和測量得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差量e，然后計(jì)算滑動模態(tài)變量；步驟S200：將滑動模態(tài)變量經(jīng)低通濾波器調(diào)制后得到等效控制信號，以等效控制信號為輸入，以控制增益為輸出，構(gòu)建雙層自適應(yīng)算法并設(shè)定自適應(yīng)參數(shù)，得到控制增益步驟S300：建立直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速模型，以步驟S200中的滑動模態(tài)變量為輸入，結(jié)合所得所述的控制增益，構(gòu)建超螺旋控制算法，調(diào)整控制參數(shù)，得到電機(jī)的控制電壓；所述步驟S200中所述雙層自適應(yīng)算法按以下步驟獲得：1)計(jì)算等效控制信號利用低通濾波器獲得等效控制信號：σ·=1τ(sgn(s)-σ)u^eq=β(t)σ+κ(t)s---(4)]]>式中，τ為濾波器時(shí)間常數(shù)，取值滿足0<τ＜＜1，s為步驟S200中所述的滑動模態(tài)變量，σ為低通濾波信號，sgn(s)為符號函數(shù)，為步驟S200中所述的等效控制信號，β(t)和κ(t)為時(shí)變控制參數(shù)，按公式(5)～(6)計(jì)算：β(t)＝L(t)β0(5)κ(t)＝L2(t)κ0(6)β0和κ0為控制參數(shù)；2)構(gòu)建雙層自適應(yīng)算法式(5)和(6)中的L(t)為步驟S200中所述的控制增益，按公式(7)計(jì)算：L(t)＝l0+l(t)(7)式中，l0為大于0的常值自適應(yīng)參數(shù)，l(t)為時(shí)變自適應(yīng)參數(shù)，按公式(8)計(jì)算：l·(t)=L·(t)=-ρ(t)sgn(δ)---(8)]]>式中，δ按公式(9)計(jì)算：δ(t)=L(t)-1aβ0|u^eq(t)|-ϵ---(9)]]>其中，a>0為常值自適應(yīng)參數(shù)，同時(shí)滿足0<aβ0<1，β0即是式(5)中的控制參數(shù)；ε>0為非常小的常值自適應(yīng)參數(shù)；式(8)中的ρ(t)按公式(10)計(jì)算：ρ(t)＝r0+r(t)(10)r0>0為常值自適應(yīng)參數(shù)；時(shí)變部分r(t)按公式(11)計(jì)算：r·(t)=γ|δ(t)|---(11)]]>γ>0為常值自適應(yīng)參數(shù)；所述步驟S300中所述超螺旋控制算法通過以下步驟得到：1)建立直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速模型根據(jù)所處理直流電機(jī)驅(qū)動的飛輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速微分方程為：T1Ω··+T2Ω·+Ω=Kmua-K1M·c-K2Mc---(12)]]>式中，ua為輸入到電機(jī)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊雅君，廖瑛，文援蘭，季海雨，龔軻杰，
申請(專利權(quán))人：中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。