[發明專利]風力磁懸浮偏航系統懸浮繞組分割和多端懸浮控制方法

有效

• 申請號: 202110266089.6
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN112943533B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 褚曉廣;馬驄;蔡彬;宗廣燈;李文玉
• 申請（專利權）人: 曲阜師范大學
• 主分類號: F03D7/00
• 分類號: F03D7/00;G06N3/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.風力磁懸浮偏航系統懸浮繞組分割和多端懸浮控制方法，其特征在于：風力機艙的懸浮由盤式電機轉子繞組完成，所述轉子繞組按照等分原則分成槳葉側繞組、尾翼側繞組、翻滾前側繞組、翻滾后側繞組，四端繞組產生懸浮合力，軸向懸浮機艙；所述槳葉側繞組和所述尾翼側繞組產生差額力，用于抑制機艙俯仰，所述翻滾前側繞組和所述翻滾后側繞組產生的差額力，用于抑制機艙翻滾；所述四端繞組分別與四端Buck變流器電氣聯結，四端繞組每端各設置一個氣隙傳感器，測量機艙的四端懸浮高度；所述四端繞組電流分別由所述四端Buck變流器控制，磁懸浮系統的四端繞組電流采用主額定跟蹤控制和非線性從補償控制，協同完成繞組電流參考設定；所述繞組電流參考跟蹤控制由Buck變流器獨立完成；所述主額定跟蹤控制采用狀態反饋方法快速獲得懸浮主導項；所述非線性從補償控制采用RBF神經網絡及自適應同步控制對不確定部分進行逼近補償，確保機艙四端同步懸浮。

2.根據權利要求1所述的風力磁懸浮偏航系統懸浮繞組分割和多端懸浮控制方法，包括以下步驟：

步驟1構建風力機艙的俯仰、翻滾和軸向的三自由度懸浮模型

式中，ω₁、ω₂分別為機艙的俯仰角速度和翻滾角速度，分別為機艙的俯仰角和翻滾角，T_S1、T_S2分別為機艙俯仰干擾和翻滾干擾，μ₀為真空磁導率，N為各側懸浮繞組匝數，S為磁極面積，δ_i(i＝1,2,3,4)為各側懸浮氣隙，i_i為各側懸浮繞組電流，J_m為機艙俯仰和翻滾轉動慣量，m為機艙懸浮質量，g為重力加速度，B為阻尼系數，δ₀為機艙質心懸浮氣隙，f_d為機艙軸向干擾，R為機艙旋轉半徑；

對于(1)式中的干擾T_s1、T_s2、f_d，可由動量定理求得，

其中，ρ為空氣密度，C_P為風能功率系數，V_W為風速，A₁為槳葉掃過的面積，A₂為機艙翻滾側表面面積，L_f為傾覆力臂，β₀為偏航風向角，θ為機艙實際偏航角，α為旋轉風向角，有V_W≤V_WN，其中V_WN為額定風速，由于當風速大于額定風速時，機艙在保護機制的作用下會停止懸浮，所以上述干擾存在上界

T_s1≤T_s1m；T_s2≤T_s2m；f_d≤f_dm (3)

其中，T_s1m、T_s2m分別為俯仰、翻滾干擾力矩上界，f_dm為軸向干擾力矩上界；

步驟2風機機艙四端懸浮動態模型轉化

第一步采用坐標變換將式(1)三自由度運動方程，轉化為多端懸浮氣隙運動方程

其中，p＝0.906，[f_s1,f_s2,f_s3,f_s4]^T＝[-T_s1,T_s1,-T_s2,T_s2]^T為俯仰、翻滾干擾，為軸向干擾，

第二步，將式(4)轉換為風力機艙多端懸浮控制模型，并將(5)代入其中

式中，M＝[mI₄]，δ＝[δ₁,δ₂,δ₃,δ₄]^T，G_g＝K·G_sG_δ，d＝[md₀·I₄]，u＝[u₁,u₂,u₃,u₄]^T為控制輸入，其中，

并且，

第三步，考慮動態模型(6)的結構參數變化和外部時變干擾帶來的不確定性，實際系統的多端控制模型可表示為

其中ΔM、Δf_s、Δd表示由系統結構參數變化和未建模動態引入的不確定性。通過定義集總不確定性向量l_u＝ΔM-Δf_s+Δd，式(7)可改寫為

其中，集總不確定性向量l_u存在上界，可由||l_u||₁＜ρ給出，其中||·||₁為1-范數算子，ρ為給定的正常數；

步驟3風機機艙四點懸浮主跟蹤控制器

第一步，引入虛擬控制變量

E＝e+βε (9)

為耦合位置誤差，其中e＝δ-δ_ref為跟蹤誤差，ε為同步誤差，從懸浮系統的結構和懸浮性能方面考慮，選取β＝1/4，ε＝Te，其中，

故，式(9)可被改寫為

設置其中K＝[K₁,K₂,K₃]，確保E漸進收斂；

第二步，對式(11)微分處理，將式(8)代入式(11)可得

第三步，由式(12)求取繞組電流的實際控制輸入和虛擬控制輸入分別為

式中，分別為K、l_u、f_s、d的估計值；若l_u、f_s、d有確切的真值解，基于狀態反饋的主跟蹤額定控制器u＝K^TE，通過選擇合適的狀態反饋矩陣K＝[K₁,K₂,K₃]，式(14)可使系統達到控制目標；

步驟4風機機艙四點懸浮RBF神經網絡不確定項補償器

第一步，對于式(8)中的集總不確定性向量l_u和軸向不確定干擾d統一歸結為懸浮系統不確定項F_d，利用RBF神經網絡的無限逼近能力進行補償，則有F_d＝θ^Th(x)，式中θ為網絡權值，h(x)為隱含層節點的輸出；

第二步，構建RBF神經網絡基于最優權值θ^*的自適應律為

式中γ₁為正常數，矩陣P為對稱正定矩陣，B＝[0,0,1]^T；

步驟5風機機艙四點懸浮自適應同步控制器

第一步，對于式(8)中的俯仰、翻滾干擾f_s，以及各端之間控制輸入的耦合作用，本發明采用同步自適應控制策略進行控制，建立如下所示的控制率

第二步，為提高系統響應速度，引入同步虛擬量對f(u)＝(u₁+u₂+u₃+u₄+1)+(R/J_m)式(16)中已知部分進行描述，對于未知系數K_ij(i,j＝1,2,…,n)和未知干擾f_si，定義自適應系數K_N，由式(1)(2)(3)(4)(5)可知

令K_N≥K_ij且K_N≥f_si，則有S_N≤K_N·f(x)，于是通過對K_N的自適應，即可完成系統同步控制；

第三步，構建機艙同步補償的自適應律為

式中γ₂為正常數；

步驟6風機機艙四點懸浮控制方法穩定性證明

第一步，完成控制器設計后的繞組電流的實際控制輸入和虛擬控制輸入可改寫為

式中，分別為K_N、θ的估計值；

第二步，將式(21)代入式(12)獲得有效虛擬變量微分為

第三步，構建含估計誤差的Lyapunov能量函數為

式中，γ₁、γ₂嚴格為正實數，

第四步，設計S_N、F_d的自適應律，對式(23)的Lyapunov能量函數求導可得

第五步，將自適應律(15)(19)代入式(24)可得

由則有

3.根據專利要求2所述的風力磁懸浮偏航系統懸浮繞組分割和多端懸浮控制方法，所述步驟2中坐標轉換矩陣為：

式中，δ＝[δ₁,δ₂,δ₃,δ₄]^T為分別為四端懸浮氣隙，δ₀為機艙質心懸浮氣隙，R為機艙半徑；

轉換方法為對坐標轉換矩陣(26)求二階導數為