本发明专利技术提供了一种直流电机驱动的飞轮系统转速控制方法，先由给定的目标转速和实际转速计算误差量，然后计算滑动模态变量；将滑动模态变量经低通滤波器调制后得到等效控制信号，以等效控制信号为输入，设计双层自适应算法在线调整控制增益；将滑动模态变量和控制增益输入到设计的超螺旋控制算法中，获得控制电压。由该方法控制的闭环系统能够在有限时间内稳定调节至目标转速，具有良好的鲁棒性和控制精度。为飞轮系统高精度转速控制的工程实现提供了有效的手段。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及自动控制
，具体的涉及一种直流电机驱动的飞轮系统转速控制方法。
技术介绍
飞轮系统是得到广泛应用的主动控制系统。现代航天器对姿态控制系统的精度、寿命和可靠性要求越来越高，通常采用飞轮系统组成的三轴稳定系统来满足其性能要求。飞轮系统不消耗工质，只消耗电能；能够产生较精确的控制力矩，控制精度较推力器高出一个数量级；适于吸收周期性干扰的影响。因此，目前在中、高轨道上长期工作的航天器，都是安装了飞轮系统的三轴稳定航天器。飞轮系统的工作原理就是“动量矩定理”，即航天器的总动量矩矢量对时间的导数，等于作用在航天器上的外力矩矢量之和。通过改变航天器上飞轮系统的高速旋转部件(即转子)的动量矩矢量，从而产生与转子动量矩变化率成正比的控制力矩，作用于航天器基座上，使其动量矩相应的变化，这一过程称为动量矩交换。根据结构特点和工作方式，飞轮系统可以分为：惯性轮、控制力矩陀螺和框架动量轮三种类型。如果飞轮系统的支承与航天器固连，飞轮转子的旋转轴相对航天器基座不变，但转子的转速可以变化，这样的飞轮就称为“惯性轮”。如果转子保持匀速旋转并被安装在框架上，而框架又可以相对航天器基座转动，就称这种飞轮为“控制力矩陀螺”。如果在控制力矩陀螺的基础上，使转子的转速可以变化，就得到了“框架动量轮”。从飞轮系统的工作原理和工作方式可以看出，转子的转速是实现动量矩交换的关键物理量。转子在电机的驱动下高速旋转，根据工作方式的不同，保持恒定转速或跟踪变化的目标转速。因此，需要对转子的转速进行有效控制。目前，对转速的控制方法主要有PID(比例、积分和微分)控制和滑模控制。PID控制通过测量转速误差，经并联的比例、积分和微分通道后产生电机驱动力矩，作用在转子上实现转速控制。控制效果则取决于是否选取了合适的“比例增益、积分增益和微分增益”三个控制参数。PID控制具有计算简单、易于工程实现的优点，得到了广泛的应用。但是从理论上来讲，PID控制效果至多能达到“渐近稳定”，即实际转速只能无限接近于目标转速，但不能完全等于目标转速。特别地，转子在实际工作环境中必然会受到干扰力矩的影响，比如，转轴与支撑间存在摩擦，或者转子磁化后在航天器电磁环境中受到电磁力作用等。此时，PID控制效果只能达到“一致有界”，即实际转速只能进入包含目标转速的一个邻域内，控制误差将一直存在。为此，部分研究者开始尝试采用滑模控制方法对转子转速进行控制。滑模控制通过构造滑模变量，迫使转子运动状态进入滑模动态，进入滑模动态后转子的运动将不受干扰力矩的影响，可以在有限时间内使实际转速等于目标转速。但是滑模控制律中包含开关项函数，当转子运动进入滑模动态后，控制器将产生不连续的高频抖振信号，不仅带来了工程实现上的困难，还增加了控制所需的能耗。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种直流电机驱动的飞轮系统转速控制方法。本专利技术提供方法的控制系统结构如图1所示，其以直流电机驱动下的飞轮系统为被控对象，控制目标是使飞轮系统旋转部件的实际转速与期望的目标转速一致。设计了一种超螺旋控制算法，产生的控制电压作为驱动电机的控制输入信号，实现了对模型不确定性和外界扰动的鲁棒控制；为有效抑制开关项函数引起的抖振，同时使超螺旋控制算法中的控制参数实现自适应调节，以低通滤波器输出的等效控制信号为输入，以超螺旋控制算法的控制增益为输出，设计了双层自适应算法，通过低通滤波器对滑动模态变量的采样滤波，在线调整控制增益；其中，滑动模态变量根据误差量计算，误差量为目标转速与实际转速之差。由该方法控制的闭环系统能够在有限时间内稳定调节至目标转速，具有良好的鲁棒性和控制精度。为飞轮系统高精度转速控制的工程实现提供了有效的手段。本专利技术提供了一种直流电机驱动的飞轮系统转速控制方法，包括以下步骤：步骤S100：由目标转速和测量得到的实际转速计算目标转速和实际转速的误差量e，然后计算滑动模态变量；步骤S200：将滑动模态变量经低通滤波器调制后得到等效控制信号，以等效控制信号为输入，以控制增益为输出，通过双层自适应算法选择自适应参数，得到控制增益；其中此步骤称为双层自适应算法设计，所得双层自适应算法流程如图2所示。步骤S300：建立直流电机驱动的飞轮系统转速模型，以步骤S200中所述的滑动模态变量为输入，结合所得所述的控制增益，设计超螺旋控制算法，调整控制参数，得到电机的控制电压；此步骤S300为超螺旋控制算法设计。实际应用中，飞轮转子的实际转速由转速传感器测量测到，将有该方法计算得到的控制电压输入到驱动电机，电机带动飞轮转子即可实现转速控制。其中，在步骤S100中所述的目标转速与实际转速之间的误差量，其计算方法为：e＝ΩC-Ω(1)ΩC为目标转速，Ω为实际转速。其中，在步骤S200中所述的滑动模态变量，其计算方法为s=e·+|e|1/2sgn(e)+ke---(2)]]>函数sgn(e)为符号函数，定义为sgn(e)=1,e>00,e=0-1,e<0---(3)]]>参数k为大于零的常数。其中，在步骤S200中所述的设计双层自适应算法，其方法如下：1)计算等效控制信号利用低通滤波器获得等效控制信号，其计算方法如下：σ·=1τ(sgn(s)-σ)u^eq=β(t)σ+κ(t)s---(4)]]>式中，τ为滤波器时间常数，取值满足0<τ＜＜1，s为步骤S200中所述的滑动模态变量，σ为低通滤波信号，sgn(s)为符号函数，为步骤S200中所述的等效控制信号，β(t)和κ(t)为时变控制参数，计算方法如下β(t)＝L(t)β0(5)κ(t)＝L2(t)κ0(6)β0和κ0为控制参数。2)设计双层自适应算法式(5)和(6)中的L(t)为步骤S200中所述的控制增益，其计算方法如下L(t)＝l0+l(t)(7)式中，l0为大于0的常值自适应参数，l(t)为时变自适应参数，其计算方法如下l·(t)=L·(t)=-ρ(t)sgn(δ)---(8)]]>式中，δ的计算方法如下δ(t)=L(t)-1aβ0|u^eq(t)|-ϵ---(9)]]>其中，a>0为常值自适应参数，同时满足0<aβ0<1，β0即是式(5)中的控制参数；ε>0为非常小的常值自适应参数；式(8)中的ρ(t)的计算方法如下ρ(t)＝r0+r(t)(10)r0>0为常值自适应参数；时变部分r(t)的计算方法为r·(t)=γ|δ(t)|---(11)]]>γ>0为常值自适应参数。本专利技术中双层自适应算法的计算流程如图2所示。其中，在步骤S300中所述的设计超螺旋控制算法，其方法如下：1)建立直流电机驱动的飞轮系统转速模型直流电机驱动的飞轮系统结构如图4所示，其工作原理如图5所示。图4中电机驱动转轴，转轴上套设有转子，转轴驱动转子，转子的另一端设置支承转轴的轴承类构件。图5中，负载为与电机输出轴相连接的转子、转轴和支承构件，电机为直流电机，包括依次与电源相串联的电感、本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种直流电机驱动的飞轮系统转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：由目标转速和测量得到的实际转速计算目标转速和实际转速的误差量e，然后计算滑动模态变量；步骤S200：将滑动模态变量经低通滤波器调制后得到等效控制信号，以等效控制信号为输入，以控制增益为输出，构建双层自适应算法并设定自适应参数，得到控制增益步骤S300：建立直流电机驱动的飞轮系统转速模型，以步骤S200中的滑动模态变量为输入，结合所得所述的控制增益，构建超螺旋控制算法，调整控制参数，得到电机的控制电压；所述步骤S200中所述双层自适应算法按以下步骤获得：1)计算等效控制信号利用低通滤波器获得等效控制信号：σ·=1τ(sgn(s)-σ)u^eq=β(t)σ+κ(t)s---(4)]]>式中，τ为滤波器时间常数，取值满足0<τ＜＜1，s为步骤S200中所述的滑动模态变量，σ为低通滤波信号，sgn(s)为符号函数，为步骤S200中所述的等效控制信号，β(t)和κ(t)为时变控制参数，按公式(5)～(6)计算：β(t)＝L(t)β0 (5)κ(t)＝L2(t)κ0 (6)β0和κ0为控制参数；2)构建双层自适应算法式(5)和(6)中的L(t)为步骤S200中所述的控制增益，按公式(7)计算：L(t)＝l0+l(t) (7)式中，l0为大于0的常值自适应参数，l(t)为时变自适应参数，按公式(8)计算：l·(t)=L·(t)=-ρ(t)sgn(δ)---(8)]]>式中，δ按公式(9)计算：δ(t)=L(t)-1aβ0|u^eq(t)|-ϵ---(9)]]>其中，a>0为常值自适应参数，同时满足0<aβ0<1，β0即是式(5)中的控制参数；ε>0为非常小的常值自适应参数；式(8)中的ρ(t)按公式(10)计算：ρ(t)＝r0+r(t) (10)r0>0为常值自适应参数；时变部分r(t)按公式(11)计算：r·(t)=γ|δ(t)|---(11)]]>γ>0为常值自适应参数；所述步骤S300中所述超螺旋控制算法通过以下步骤得到：1)建立直流电机驱动的飞轮系统转速模型根据所处理直流电机驱动的飞轮系统的结构推导出飞轮系统的转速微分方程为：T1Ω··+T2Ω·+Ω=Kmua-K1M·c-K2Mc---(12)]]>式中，ua为输入到电机的控制电压，Mc为折合到电动机轴上的总负载转矩，为折合到电动机轴上的总负载转矩的一阶微分，为转速的一阶微分，为转速的二阶微分，T1和T2为电动机的机电时间常数按公式(13)计算：T1=LaJmRafm+CmCe---(13)]]>T2=Lafm+RaJmRafm+CmCe---(14)]]>Km、K1和K2为电机传递系数按公式(15)～(17)计算：Km=CmRafm+CmCe---(15)]]>K1=LaRafm+CmCe---(16)]]>K2=RaRafm+CmCe---(17)]]>在公式(13)至公式(17)中，Ra是电枢电路的电阻，La是电枢电路的电感，Jm是电机和负载折合到电机轴上的转动惯量，fm是电机和负载折合到电机轴上的黏性摩擦系数，Cm是电机转矩系数，Ce是电机反电势系数；2)设计构建超螺旋控制算法根据步骤S200中的滑动模态变量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，和分别为机电时间常数T1和电机传递系数Km的标称值，时变控制参数β(t)和κ(t)的计算方法如公式(5)和(6)所述，α(t)和η(t)按公式(19)～(20)计算：α(t)=L(t)α0---(19)]]>η(t)＝L(t)η0 (20)常值控制参数α0、β0、η0和κ0的取值要满足如公式(21)所示的约束条件：α0>51/4,η0>0,β0>1,κ0>8η02β0+22η02+9α02η024(β0-1)---(21)]]>附加项φ按公式(22)计算：φ(s,L)=-L·(t)L(t)s(t...
【技术特征摘要】
1.一种直流电机驱动的飞轮系统转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：由目标转速和测量得到的实际转速计算目标转速和实际转速的误差量e，然后计算滑动模态变量；步骤S200：将滑动模态变量经低通滤波器调制后得到等效控制信号，以等效控制信号为输入，以控制增益为输出，构建双层自适应算法并设定自适应参数，得到控制增益步骤S300：建立直流电机驱动的飞轮系统转速模型，以步骤S200中的滑动模态变量为输入，结合所得所述的控制增益，构建超螺旋控制算法，调整控制参数，得到电机的控制电压；所述步骤S200中所述双层自适应算法按以下步骤获得：1)计算等效控制信号利用低通滤波器获得等效控制信号：σ·=1τ(sgn(s)-σ)u^eq=β(t)σ+κ(t)s---(4)]]>式中，τ为滤波器时间常数，取值满足0<τ＜＜1，s为步骤S200中所述的滑动模态变量，σ为低通滤波信号，sgn(s)为符号函数，为步骤S200中所述的等效控制信号，β(t)和κ(t)为时变控制参数，按公式(5)～(6)计算：β(t)＝L(t)β0(5)κ(t)＝L2(t)κ0(6)β0和κ0为控制参数；2)构建双层自适应算法式(5)和(6)中的L(t)为步骤S200中所述的控制增益，按公式(7)计算：L(t)＝l0+l(t)(7)式中，l0为大于0的常值自适应参数，l(t)为时变自适应参数，按公式(8)计算：l·(t)=L·(t)=-ρ(t)sgn(δ)---(8)]]>式中，δ按公式(9)计算：δ(t)=L(t)-1aβ0|u^eq(t)|-ϵ---(9)]]>其中，a>0为常值自适应参数，同时满足0<aβ0<1，β0即是式(5)中的控制参数；ε>0为非常小的常值自适应参数；式(8)中的ρ(t)按公式(10)计算：ρ(t)＝r0+r(t)(10)r0>0为常值自适应参数；时变部分r(t)按公式(11)计算：r·(t)=γ|δ(t)|---(11)]]>γ>0为常值自适应参数；所述步骤S300中所述超螺旋控制算法通过以下步骤得到：1)建立直流电机驱动的飞轮系统转速模型根据所处理直流电机驱动的飞轮系统的结构推导出飞轮系统的转速微分方程为：T1Ω··+T2Ω·+Ω=Kmua-K1M·c-K2Mc---(12)]]>式中，ua为输入到电机...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨雅君，廖瑛，文援兰，季海雨，龚轲杰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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