基于模型失配补偿器的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于模型失配补偿器的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法，属电气工程技术领域。该方法通过模型预测控制、PID、模型失配器相结合，解决磁悬浮偏航系统平衡点附近因线性化处理造成的模型失配带来的偏差问题，对平衡点处的悬浮进行实时平稳控制：根据线性化模型采用模型预测控制策略，设计悬浮气隙控制器，实现外环悬浮气隙控制；将悬浮气隙控制器的输出与模型失配器的输出相加，减去悬浮电磁铁绕组的电流测量值，经PID控制器，控制绕组电流，实现内环电流跟踪控制；将悬浮气隙偏差和绕组电流偏差分别乘以各自的调节参数后相加构成模型失配器。本发明专利技术控制精度高，能有效抑制外界扰动的影响，确保平衡点附近悬浮快速稳定。

Suspension control method of wind electromagnetic levitation and yaw system based on model mismatch compensator

The invention relates to a levitation control method of wind electromagnetic levitation yaw system based on model mismatch compensator, belonging to the field of electrical engineering technology. The method combines model predictive control, PID and model mismatch to solve the problem of model mismatch caused by linearization near the equilibrium point of magnetic levitation yaw system. The levitation at the equilibrium point is controlled in real-time and stably. According to the linearization model, the model predictive control strategy is adopted to design the air gap. The output of the suspension air gap controller is added to the output of the model mismatch device, and the current measurement value of the suspension electromagnet winding is subtracted. The current of the winding is controlled by PID controller to realize the current tracking control of the inner loop, and the air gap deviation and the winding current deviation are multiplied by each other. After adjusting the parameters, the model is mismatched. The invention has high control precision, can effectively suppress the influence of external disturbance, and ensures fast and stable suspension near the equilibrium point.

【技术实现步骤摘要】
基于模型失配补偿器的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法
本专利技术涉及一种控制方法，尤其是一种基于模型失配补偿器的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法，属于电气工程

技术介绍
偏航系统是水平轴风力发电机必不可少的重要组成部分。传统的偏航装置均为齿轮驱动，摩擦损耗大、故障率高，对风不够精准，维护不便、停电时间长，降低了发电效率。风电磁悬浮偏航系统采用磁悬浮驱动技术，取代传统的齿轮驱动技术，具有对风精度高、无需润滑、结构简单、维护方便、停电时间短、运行维护费用低等优势。通过电磁悬浮，一方面机舱处于悬浮状态，可实现精确对风；另一方面，简化了偏航系统结构，使维修简便，可大大缩短停机时间。风电磁悬浮偏航系统的工作原理是：当风向改变时，首先使其悬浮电磁铁通入直流电，实现悬浮，到达悬浮平衡点后，使其定子通入交流电，悬浮电磁铁开始旋转，直至到达对风位置。在旋转过程中，一方面要实施悬浮控制，使其处于平衡点，另一方面要控制其转速，实现稳定旋转，因此实现平衡点处的稳定悬浮至关重要。现有文献大多采用在悬浮平衡点附近线性化的方法，忽略了高阶项，这会导致模型失配，进而降低了系统鲁棒性。为此有的文献基于均方差的方法使用卡尔曼滤波状态观测器解决无约束条件下模型预测控制系统中的模型失配问题，有的利用遗传算法解决模型失配对模型预测控制的影响，或者采用无模型自适应控制实现算法的智能推理，以抑制时变参数、模型失配等问题，也有人利用扰动观测器在输出预测中加入干扰项，用来校正由干扰和不确定性因素引起的偏差。但上述方法过程均较为复杂。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，本专利技术提供一种基于模型失配补偿器的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法，采用结构较为简单的模型失配补偿器，通过模型预测控制(MPC)、PID算法、模型失配器相结合，解决模型失配及不确定干扰给系统带来的偏差问题，实现风电磁悬浮偏航系统在平衡点处的稳定悬浮。因此，本专利技术的控制方法是一种加模型失配器的MPC-PID方法。为了达到以上目的，本专利技术所述风电磁悬浮偏航系统包括悬浮系统、驱动系统，所述悬浮系统由悬浮电磁铁、定子、气隙传感器、悬浮架和悬浮变流器等组成；所述悬浮电磁铁包括铁心和绕组，所述绕组为直流励磁绕组，所述绕组与所述悬浮变流器连接。本专利技术基于模型失配补偿器的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立磁悬浮偏航系统的悬浮动态数学模型，建模过程如下：所述悬浮电磁铁绕组通电后将产生向上的轴向悬浮力F：式中，i(t)为所述悬浮电磁铁绕组的电流；δ(t)为所述悬浮电磁铁和所述定子之间的悬浮气隙；k1＝μ0N2S/4，其中，μ0为真空磁导率，N为所述悬浮电磁铁绕组的匝数，S为所述悬浮电磁铁铁心的磁极表面有效面积；根据牛顿第二定律，所述悬浮系统在垂直方向上的力学方程为：式中，m为悬浮物质量，g为重力加速度；fd(t)为外界扰动力，为悬浮气隙δ(t)对时间t的二阶导数；所述悬浮电磁铁的电压方程为：式中，u(t)为所述悬浮电磁铁绕组的电压；R为所述悬浮电磁铁绕组的电阻；ψ(t)为气隙磁链；L为所述悬浮电磁铁绕组的气隙电感，且有L＝2k1/δ(t)；综上，可得磁悬浮偏航系统的动态悬浮数学模型：平衡条件：F(i0,δ0)＝k1(i0/δ0)2＝mg式中，i0、δ0分别为稳定悬浮时，即在平衡点处所述悬浮电磁铁绕组的电流和悬浮气隙；步骤2，建立磁悬浮偏航系统的悬浮系统线性化模型，建模过程如下：将式(1)在平衡点(i0，δ0)附近进行线性化处理，用泰勒级数公式展开，忽略高阶项，可得：式中，ΔF＝F(i0,δ0)-F；Δδ(t)＝δ0-δ(t)；Δi(t)＝i0-i(t)；类似地，将式(2)在平衡点(i0，δ0)附近进行线性化处理，用泰勒级数公式展开，忽略高阶项，可得：式中，Δu(t)＝u0-u(t)，u0为平衡点处稳定悬浮时悬浮电磁铁的电压；将式(4)、式(5)代入式(3)，同时令则可得所述悬浮系统的线性化模型：式中，kc＝2k1i02/δ03；ki＝kcδ0/i0；kf为常数；L0＝2k1/δ0；步骤3，采用模型预测控制策略，设计悬浮气隙控制器，实现外环悬浮气隙控制；具体方法如下：A)令x1＝Δi(t)，x2＝Δδ(t)，代入式(6)，整理可得悬浮系统状态空间方程为：式中，x＝[x1,x2,x3]T为状态变量，um＝Δu(t)为输入变量，y1为所述悬浮系统的输出量；B)根据模型预测理论，在x可测时，式(7)的预测模型为：x(k+1)＝Ax(k)+bum(k)(8)C)设从k时刻输入发生M步变化，而后保持不变，则由式(8)可以预测出um(k)，um(k+1)，um(k+2)，…，um(k+M-1)作用在未来P(P>＝M)个时刻的系统状态，即：X(k)＝Fx(k)+GU(k)(9)式中，X(k)为状态矩阵，X(k)∈Rn实时可测；n为x(k)的维数；U(k)为系统输入矩阵；F、G分别是系统状态转移矩阵、输入矩阵，且有：其中：P为预测时域长度；M为控制时域长度；D)选取所述悬浮系统的优化性能指标为：式中，Q为误差加权系数；R为控制加权系数；在不考虑约束时，结合状态预测模型式(8)，求出式(10)的最优解为：U(k)＝-(GTQG+R)-1GTQFx(k)(11)E)由此可得输入变量控制律为：式中，k2为反馈增益，有：则式(12)构成了悬浮气隙控制器。步骤4，将步骤3所述悬浮气隙控制器的输出y1＝x1＝Δi(t)作为所述悬浮电磁铁绕组的电流变化量参考值Δiref(k)，据此求得所述悬浮电磁铁绕组的电流参考值iref(k)＝i0+Δiref(k)，将此值iref(k)与模型失配器的输出相加，两者之和与所述悬浮变流器输出的电流测量值之差，经PID控制器，送入PWM模块，产生驱动信号，控制所述悬浮变流器的输出电压和电流，实现内环电流跟踪控制；所述模型失配补偿器按下述方式设计：令模型失配补偿律为：y2＝C1eδ+C2ei(13)式中，y2为模型失配补偿器输出的补偿电流；eδ＝δ(t)-δl(t)；ei＝i(t)-il(t)，其中，δ(t)、i(t)分别为悬浮气隙测量值、所述悬浮电磁铁绕组电流测量值；δl(t)、il(t)分别为线性化模型式(6)输出的悬浮气隙和所述悬浮电磁铁绕组励磁电流；C1是气隙偏差调节参数；C2是电流偏差调节参数，则式(13)构成了模型失配补偿器。步骤5，将所述悬浮变流器的输出电压送入线性化模型式(6)，线性化模型式(6)输出悬浮气隙δl(t)和所述悬浮电磁铁绕组的电流il(t)；所述悬浮气隙δl(t)减去悬浮气隙测量值δ(t)，得到悬浮气隙偏差eδ，所述悬浮电磁铁绕组的电流il(t)减去所述悬浮电磁铁绕组的电流测量值i(t)，得到绕组电流偏差ei，将所述偏差eδ、ei送入模型失配补偿器式(13)，得到补偿电流y2，返回步骤4，实现平衡点附近稳定悬浮。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用结构简单的模型失配补偿器，与模型预测控制(MPC)、PID算法相结合，能够使系统在较短时间内达到稳定，且控制精度更高，有效解决了模型失配及不确定干扰给系统带来的偏差问题，确保在平衡点附近整个悬浮过程系统性能实时最优，从而实现风电磁悬浮偏航系统在平衡点附近稳定悬浮。附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型失配补偿器的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法，所述风电磁悬浮偏航系统包括悬浮系统，所述悬浮系统包括悬浮电磁铁、定子、气隙传感器、悬浮架和悬浮变流器，所述悬浮电磁铁包括铁心和绕组，所述绕组为直流励磁绕组，所述绕组与所述悬浮变流器连接；其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立磁悬浮偏航系统的悬浮动态数学模型，建模过程如下：所述悬浮电磁铁绕组通电后将产生向上的轴向悬浮力F：

【技术特征摘要】
1.一种基于模型失配补偿器的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法，所述风电磁悬浮偏航系统包括悬浮系统，所述悬浮系统包括悬浮电磁铁、定子、气隙传感器、悬浮架和悬浮变流器，所述悬浮电磁铁包括铁心和绕组，所述绕组为直流励磁绕组，所述绕组与所述悬浮变流器连接；其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立磁悬浮偏航系统的悬浮动态数学模型，建模过程如下：所述悬浮电磁铁绕组通电后将产生向上的轴向悬浮力F：式中，i(t)为所述悬浮电磁铁绕组的电流；δ(t)为所述悬浮电磁铁和所述定子之间的悬浮气隙；k1＝μ0N2S/4，其中，μ0为真空磁导率，N为所述悬浮电磁铁绕组的匝数，S为所述悬浮电磁铁铁心的磁极表面有效面积；根据牛顿第二定律，所述悬浮系统在垂直方向上的力学方程为：式中，m为悬浮物质量，g为重力加速度；fd(t)为外界扰动力，为悬浮气隙δ(t)对时间t的二阶导数；所述悬浮电磁铁的电压方程为：式中，u(t)为所述悬浮电磁铁绕组的电压；R为所述悬浮电磁铁绕组的电阻；ψ(t)为气隙磁链；L为所述悬浮电磁铁绕组的气隙电感，且有L＝2k1/δ(t)；综上，可得磁悬浮偏航系统的动态悬浮数学模型：平衡条件：F(i0,δ0)＝k1(i0/δ0)2＝mg式中，i0、δ0分别为稳定悬浮时，即在平衡点处所述悬浮电磁铁绕组的电流和悬浮气隙；步骤2，建立磁悬浮偏航系统的悬浮系统线性化模型，建模过程如下：将式(1)在平衡点(i0，δ0)附近进行线性化处理，用泰勒级数公式展开，忽略高阶项，可得：式中，ΔF＝F(i0,δ0)-F；Δδ(t)＝δ0-δ(t)；Δi(t)＝i0-i(t)；类似地，将式(2)在平衡点(i0，δ0)附近进行线性化处理，用泰勒级数公式展开，忽略高阶项，可得：式中，Δu(t)＝u0-u(t)，u0为平衡点处稳定悬浮时悬浮电磁铁的电压；将式(4)、式(5)代入式(3)，同时令则可得所述悬浮系统的线性化模型：式中，kc＝2k1i02/δ03；ki＝kcδ0/i0；kf为常数；L0＝2k1/δ0；步骤3，采用模型预测控制策略，设计悬浮气隙控制器，实现外环悬浮气隙控制；具体方法如下：A)令x1＝Δi(t)，x2＝Δδ(t)，代入式(6)，整理可得悬浮系统状态空间方程为：式中，x＝[x1,x2,x3]T为状态变量，um＝Δu(t)为输入变量，y1为所述悬浮系统的输出量；B)根据模型预测理论，在x可测时，式(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡彬，王楠楠，褚晓广，苏佰丽，孔英，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37