一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法，利用滑模变结构控制系统的广义描述函数法和自适应无迹卡尔曼滤波算法来有效的削弱信号抖振的方法，以变结构控制引入的抖振和系统稳定性设计为研究对象，从变结构控制抖振抑制和DF法在非线性系统中应用的现状和存在的若干问题出发，侧重研究频率相关描述函数N(A,ω)的稳定性分析、变结构切换增益自适应调节方法，提出了一种自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)算法，设计了一种基于增益调度的HΔ滑模控制器，以验证本文提出的抖振调节和抑制方法的有效性。本发明专利技术在保证滑模变结构控制方法具有对外界扰动不敏感、保证良好鲁棒性的同时，有效的削弱了飞轮结构不断切换带来的系统抖振。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法
本专利技术属于飞轮控制
，具体涉及一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法。
技术介绍
随着控制对象的复杂程度日益增加，系统参数范围变得越来越大、干扰源增多、环境复杂，精确地描述系统模型是很困难的。以车用磁悬浮飞轮电池为例，利用滑模变结构可以有效的抑制转子系统的基础振动。近年来不确定性系统的鲁棒控制理论取得了不错的成绩，但鲁棒稳定性限制了闭环系统的带宽，降低了其干扰性。为了增强对鲁棒性不确定因素的控制，滑模变结构的非线性反馈控制可解决这一问题。虽然滑模变结构在鲁棒性能上具有较强的优势，但由于自身引起的抖振问题阻碍了它的广泛应用。滑模变结构抖振是由于开关器件的时滞和被控对象惯性等因素的影响，系统状态到达滑模面或平衡点后，不是保持在他们上面，而是在滑模面附近做来回的穿越运动或围绕平衡点周期运动的现象。这与函数法中非线性系统的自激振荡类似，所以抖振的本质就是滑模变结构的非线性构成的。当抖振频率接近于谐振频率则易引发系统共振，当抖振频率过快则可能损坏开关器件。因此抖振频率是关键问题。在设计变结构控制系统时能预测抖振的频率，并能调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法，其特征在于，包括步骤2，设计基于自适应无迹卡尔曼滤波算法AUKF，通过检测状态变量微分累积值，判断状态是否突变；并基于该自适应无迹卡尔曼滤波算法，利用控制量和输出量估计外部扰动，自适应调节变结构切换增益，使增益随外部扰动变化，实现抑制系统的抖振。

【技术特征摘要】
1.一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法，其特征在于，包括步骤2，设计基于自适应无迹卡尔曼滤波算法AUKF，通过检测状态变量微分累积值，判断状态是否突变；并基于该自适应无迹卡尔曼滤波算法，利用控制量和输出量估计外部扰动，自适应调节变结构切换增益，使增益随外部扰动变化，实现抑制系统的抖振。2.根据权利要求1所述的一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法，其特征在于，步骤2之前还包括：步骤1，在利用滑模变结构控制系统的广义描述函数法和自适应无迹卡尔曼滤波算法，以变结构控制引入的抖振和系统稳定性为研究对象，设计出频率相关描述函数N(A,ω)的稳定性判据；由该判据得出系统的抖振状态。3.根据权利要求1所述的一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法，其特征在于，步骤2之后还包括：步骤3，通过状态扩维，将系统输出量积分值作为一个状态变量；根据系统输出误差，设计了滑模切换项增益调度规则；并确定滑模控制参数与闭环控制系统的二次稳定性、HΔ性能指标的关系，经过对非匹配不确定项的处理，得到满足控制性能要求的滑模控制参数，使磁悬浮飞轮在高速状态下减弱抖振的产生。4.根据权利要求1所述的一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法，其特征在于，所述步骤2的具体实现包括如下：由测量单摆角度的抖振特性可得单摆系统状态方程其中M＝1.1kg,g＝9.8m/s2,S＝0.9m,J＝ML2＝0.891kg·m2,Cs＝0.18N·m·s/rad,Ps＝0.15N·m，扰动信号(t,θ,ω)＝0.1sin3kTe+0.1cos5kTe，变量θ,ω分别为单摆的角度和角速度,u为控制器的力矩控制量,Δ(t,θ,ω)为不确定扰动；假设1：控制系统无法直接测量单摆角速度ω；假设2：无法估计Δ(t,θ,ω)的变化范围；输出微分二阶采样变结构控制器根据状态θ,ω确定控制增益切换律，而增益大小由f(θ,ω)+Δ(t,θ,ω)确定；在两个假设条件的限制下，利用AUKF同时估计ω和Δ(t,θ,ω)：首先选择状态变量x＝[x1,x2,x3]T和观测变量y＝[θ]T，再建立状态方程(2-2)和观测方程(2-3)，其中x1，x2分别为单摆的角度和角速度，x3为不确定扰动，θ为测量的单摆角度值；状态方程(2-2)中的uk-1为已知的控制量；将式(2-2),(2-3)代入标准AUKF算法中,可估计单摆的角速度和不确定扰动Δ(t,x1,x2)，得出增益可调节的二阶采样变结构控制器，控制器如表达式(2-4)所示：5.根据权利要求2所述的一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法，其特征在于，所述步骤1的稳定判据具体如下：1)确定频率分析范围0<ω≤ωup，ωup为需分析的角频率上限；2)判断在频率分析范围内是否存在抖振特性(An,ωn)，并使得DN(A,ω)的虚部Im(DN(An,ωn))＝0和实部Re(DN(An,ωn))＝-1同时成立；3)若An，ωn满足式(1-1)和(1-2)，则控制系统存在稳定的抖振点(An，ωn)；4)An、ωn满足式(1-3)和(1-4)，则控制系统存在稳定的抖振点(An，ωn)；其中N(A,ω)为频率相关描述函数，ω为角频率，A为幅度。6.根据权利要求5所述的一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法，其特征在于，所述步骤1中，由该判据得出系统的抖振状态具体如下：1)若满足当A>An时，Re(DN(A,ωn))&...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，束方宇，张林东，陈聪，袁野，程玲，杨恒坤，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32