[發明專利]一種磁懸浮飛輪電機模糊PID控制優化方法

有效

• 申請號: 202110433473.0
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113009834B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 朱志瑩;徐浩然;朱海浪;張懿濤;董力;錢棟樑
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京睿之博知識產權代理有限公司 32296
• 代理人: 劉菊蘭

本發明公開了一種磁懸浮飛輪電機模糊PID控制優化方法，包括：根據磁懸浮飛輪電機的控制模型，針對模糊PID控制器，確定輸入變量、輸出變量及相應的變化范圍；設計模糊規則的初始參數；通過模糊推理獲取輸出量；將輸出的位移和轉速處理為伸縮因子參數τ的函數；獲取當前時刻和上一時刻中位移和轉速讀值，通過梯度下降公式更新伸縮因子參數τ。本發明通過對輸出結果中的位移和轉速設置權重，利用梯度下降算法對模糊規則中的伸縮因子參數進行在線自調整，使得系統輸出位移的穩態精度增大，避免了系統的振蕩。

技術領域

本發明涉及磁懸浮電機的技術領域，尤其涉及一種磁懸浮飛輪電機模糊PID控制優化方法。

背景技術

自21世紀以來，人類面臨的環境和能源問題促使電動汽車進入高速發展階段。作為車載動力電池的飛輪儲能裝置與傳統化學蓄電池相比，具有能量密度高、無過度充放電問題、充電快、壽命長以及無污染的優勢，符合未來能源戰略發展的方向，具有重大研究意義。

應用于飛輪儲能領域的電機主要有交流感應電機、永磁電機及開關磁阻電機，其中感應電機的效率高、價格低、維護方便，但是電機的轉子轉差損耗大，轉速不能太高；永磁電機的功率密度高，調速性能好，但軸向尺寸過大，臨界轉速低，限制其應用領域，并且磁軸承需要一定數量的線圈、鐵芯、傳感器、控制系統等，因此整個系統成本較高。

近年來興起的磁懸浮無軸承電機結合了磁軸承與開關磁阻電機的雙重優點，可簡化系統結構，提高臨界轉速與可靠性，將其用于飛輪領域，形成具備獨特優勢的磁懸浮飛輪電機，得到國內外學者廣泛研究，相繼出現徑向分相、軸向分相等結構，其中，軸向分相結構在實現電動/發電的同時，不額外增設磁軸承，僅用軸向分布的兩套懸浮繞組即可實現徑向四自由度懸浮，從而大幅提高系統集成度和臨界轉速，十分適合飛輪儲能磁懸浮支承及能量的轉化系統。

為了充分發揮軸向永磁磁懸浮飛輪電機的潛在優勢，需要對飛輪轉子進行穩定的懸浮與旋轉的控制，這要求控制算法具有較高的控制精度，并能夠有效地抑制系統的噪聲，實現飛輪電機的正常工作。應用最廣的控制算法有PID(比例-積分-微分)控制，但在電機控制的過程中，一組整定好的PID參數往往不能滿足系統的要求，這就要求在PID控制中，能夠實現參數的自調整。一般將模糊控制與PID控制相結合，利用模糊控制的模糊化處理、按模糊規則決策、PID參數解模糊3個環節，完成PID參數的在線自調整。

現有的模糊自適應PID控制算法中，采用系統偏差e和偏差增量ec作為輸入參數，但基于模糊控制的原理可知，控制系統的性能依賴于模糊論域的確定、模糊規則的建立、隸屬度函數的選擇、及模糊推理方法等。根據實際仿真經驗，當隸屬度函數在模糊論域上均勻分布時，系統的控制效果并不理想。因此，對于電機控制系統而言，一般的模糊控制器的誤差較大，難以滿足對飛輪轉子的高精度控制的要求。

發明內容

發明目的：針對現有技術中磁懸浮飛輪電機模糊控制器誤差較大的缺陷，本發明公開了一種磁懸浮飛輪電機模糊PID控制優化方法，通過對輸出結果中的位移和轉速設置權重，利用梯度下降算法對模糊規則中的伸縮因子參數進行在線自調整，使得系統輸出位移的穩態精度增大，避免了系統的振蕩。

技術方案：為實現上述技術目的，本發明采用以下技術方案。

一種磁懸浮飛輪電機模糊PID控制優化方法，包括以下步驟：

S1、設置模糊PID控制器的輸入變量和輸出變量：根據磁懸浮飛輪電機的控制模型，針對模糊PID控制器，確定輸入變量、輸出變量及相應的變化范圍；其中輸入變量包括轉子位移實際值與給定值的偏差e和轉子位移實際值與給定值偏差的變化率ec，輸出變量包括PID控制器中比例參數P的修正量ΔK_p、PID控制器中積分參數I的修正量ΔK_i和PID控制器中微分參數D的修正量ΔK_d；