[發明專利]基于擾動觀測器的磁懸浮轉子系統不匹配擾動的控制方法

有效

• 申請號: 201710692093.2
• 申請日: 2017-08-14
• 公開（公告）號: CN107656437B
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 彭聰;祝夢婷;鄧智泉
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 向妮

本發明所公開的基于擾動觀測器的新型復合控制方法，可用于抑制電壓控制型磁軸承系統中的不匹配擾動。其基于物理定律建立不匹配擾動下電壓控制型磁軸承系統的動態模型，通過引入新的狀態變量重構等效磁懸浮轉子動力學系統，等效系統中將不匹配擾動分為匹配部分和不匹配部分，匹配部分通過魯棒控制器進行干擾抑制，不匹配部分通過設計狀態空間擾動觀測器進行干擾抵消。本發明提出的不匹配擾動控制方法，對磁軸承系統的高精度懸浮控制具有重要參考意義。

技術領域

本發明屬于航天控制技術研究領域，特別涉及一種基于擾動觀測器的磁懸浮轉子系統不匹配擾動的控制方法。

背景技術

相比于傳統機械軸承，磁懸浮系統具有很多優點，如轉速更高、磨損少、無需潤滑、壽命更長。正是因為這些優勢，磁懸浮系統成功地應用于飛輪、控制力矩陀螺以及泵等很多領域。磁軸懸浮控制系統有兩種控制模式：電流控制模式和電壓控制模式?？偟膩碚f，電壓控制模式優于電流控制模式。一方面，電壓控制模式的輸入是線圈繞組電壓，是比電流控制模式更準確的系統輸入變量；另一方面，電流控制模式下的功率放大器比電壓控制模式更為復雜和昂貴。電壓控制模式相比于電流控制模式有許多優勢，但是電壓控制型磁懸浮系統的動態性能也更為復雜：外部擾動通過與控制輸入不同的通路作用于磁懸浮系統，便形成了不滿足匹配條件的不匹配擾動。如何抑制電壓控制型磁懸浮系統中的不匹配擾動已經成為一個具有挑戰性的問題。

現代魯棒控制方法已經廣泛應用于電壓控制型磁懸浮系統，在提高系統的穩定性和動態性能方面取得了一些顯著的效果。單軸磁懸浮系統在電壓控制模式下的線性化、利用不同的反饋方法來提高線性度和閉環魯棒性、磁懸浮系統中高速轉子面對外部擾動時的穩定性和可控性，以及利用一種魯棒綜合控制方法來補償結構諧振等問題均已在研究之列。然而上述提到的研究主要通過反饋調節的方式抑制外部擾動和不確定性，不能直接地、及時地抑制強烈的外部擾動和補償對象的不確定性。

由此，結合魯棒控制和擾動觀測器的復合控制方法悄然興起，并成功應用于擾動滿足匹配條件的各種工程系統中，如電機系統，功率轉換器系統，硬盤驅動器系統，機器人系統等。在這種復合控制方法中，擾動觀測器可以觀測未知擾動，并對這些擾動做出補償，且不以犧牲基本控制器的性能為代價。隨著基于擾動觀測器的磁懸浮轉子系統匹配擾動的抑制方法的研究不斷深入，研究人員希望能夠通過這種復合控制方法來抑制外部擾動中的不匹配擾動。

可見，目前電壓控制型磁懸浮轉子系統中不匹配擾動抑制的控制方法存在如下問題：1)利用反饋調節的方式抑制外部擾動和對象不確定性，只是減弱不匹配擾動對輸出的影響，不能直接地、及時地抑制外部擾動和補償對象不確定性；2)不匹配擾動的補償性能在一定程度上是以犧牲基本控制器的性能指標的代價獲得的。

發明內容

為克服現有的電壓控制型磁懸浮轉子系統的控制方法的不足，提供一種基于擾動觀測器的新型復合控制方法，采用基于改進的擾動觀測器的復合控制策略，可以利用擾動觀測器觀測未知擾動，并對這些擾動做出補償，且不以犧牲基本控制器的性能為代價，實現電壓控制型磁懸浮轉子系統中外部擾動的抑制。

本發明所公開的基于擾動觀測器的新型復合控制方法，可用于抑制電壓控制型磁軸承系統中的不匹配擾動。其基于物理定律建立不匹配擾動下電壓控制型磁軸承系統的動態模型，通過引入新的狀態變量重構等效磁懸浮轉子動力學系統，等效系統中將不匹配擾動分為匹配部分和不匹配部分，匹配部分通過魯棒控制器進行干擾抑制，不匹配部分通過設計狀態空間擾動觀測器進行干擾抵消。包括以下步驟：

1)建立不匹配擾動下電壓控制型磁懸浮轉子系統的動態模型，得到電壓控制型磁軸承控制系統的狀態方程；

2)通過引入新的狀態變量重構磁懸浮轉子系統的等效系統，將不匹配擾動分為匹配和不匹配兩部分；

3)設計廣義的狀態空間擾動觀測器，對等效系統中的不匹配擾動部分進行觀測；