基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法技术

本发明专利技术涉及波浪能发电技术领域，更具体地，涉及一种基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法。包括以下步骤：S101：建立边缘效应模型；S102：将S101中的边缘效应模型加入至理想电机模型中，建立混沌模型；S103：对混沌模型进行分析，判定混沌运动域，并针对波浪情况分析边缘效应对混沌系统的影响；S104：通过状态反馈解耦系统对混沌模型进行解耦降阶得到基本混沌控制律模型；S105：对位置参数进行跟踪调节，得到复合混沌控制器模型。能快速解除电机系统的混沌状态，抑制系统的颤振，削弱控制超调现象，具有较强的鲁棒性和较高的控制精度。

Sliding Mode Compound Chaos Control Method Based on PMLSM for Wave Power Generation

【技术实现步骤摘要】
基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法
本专利技术涉及波浪能发电
，更具体地，涉及一种基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法。
技术介绍
当今，伴随着一次能源的锐减及环保意识的日益提升，可再生的清洁能源得到了大幅度的关注，其中海洋波浪能是一种功率密度大且可预测性强的能源，引起了业界的广泛研究与关注。永磁直线同步电机系统结构简单、省去了中间传动环节，提高了系统能量转换效率，在波浪发电领域有着广阔的应用前景。但在某种特定参数条件下发电机系统运行会呈现出转速、转矩剧烈震荡、控制性能不稳，不规则的电磁噪声等混沌特性，并且目前对于PMLSM系统的混沌现象分析研究较少。目前采用的是非奇异快速终端滑模混沌控制的方法来抑制永磁同步电机在运行过程中出现的混沌现象，弱化了对速度传感器的依赖性，一定程度上实现了对于电机内部不稳定参数的调整，从而实现永磁同步电机系统的混沌控制，但系统脱离混沌较慢，且达到稳定后还存在抖振现象。波浪发电系统中的发电机在实际海况中运动，容易产生混沌状态，导致转速、转矩及电流会产生剧烈的震荡，是一种极不稳定的运行工况。波浪能发电站目前大多属于示范或实验性质，并未进入大规模的商业化应用。如何提供一种合理高效的方法使发电机能在波浪发电过程中摆脱混沌状态，是业界亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，能快速解除电机系统的混沌状态，抑制系统的颤振，削弱控制超调现象，具有较强的鲁棒性和较高的控制精度。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，包括以下步骤：S101：建立边缘效应模型；S102：将S101中的边缘效应模型加入至理想电机模型中，建立混沌模型；S103：对混沌模型进行分析，判定混沌运动域，并针对波浪情况分析边缘效应对混沌系统的影响；S104：通过状态反馈解耦系统对混沌模型进行解耦降阶得到基本混沌控制律模型；S105：对位置参数进行跟踪调节，得到复合混沌控制器模型。进一步的，在步骤S102中，在将边缘效应模型加入至理想电机模型时，运用时标变换法将模型转换成类洛伦兹混沌方程。进一步的，在步骤S101中，所述的边缘效应模型为：式中Fdf-电机边缘效应阻力，Fdfm-边缘效应阻力波动幅值，s-为动子的直线位移，θ0-初始相位电角度。进一步的，所述的理想电机模型中，假设：铁芯不饱和；忽略PMLSM的涡流损耗；动子及永磁体上均无阻尼绕组；只考虑基波磁势，反电动势为正弦。进一步的，在理想电机模型中，利用坐标转换矩阵(2)将边缘效应模型(1)从ABC坐标系转换到d-q坐标系。用如下坐标转换矩阵(2)，将考虑边缘效应的PMLSM简化数学模型，从ABC坐标系转换到d-q坐标系：为构造经典混沌模型洛伦兹方程，对经过转换坐标的数学模型进行如式(3)的仿射变换和时标变换：式中x＝[idiqv]T，可得转换后方程(4)：式中γ是未知参数；上述式子中ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别为d-q轴电压、电流和电感(Ld＝Lq＝L)，Rs-动子相电阻，v-直线电机平移速度，M-电机动子质量，B-电机粘滞摩擦系数，τn-极距，Ψf-永磁体有效磁链，FLf-电机负载阻力，Ff＝Fdf+FLf；仿射变换和时标变换属于线性变换，变换前后系统特性不变，为简化描述，忽略上标，则PMLSM的混沌模型变为：进一步的，在步骤S103中，通过计算最大PMLSM指数谱，判定发电机混沌运动域，将最大的Lyapunov指数计算定义为：式中τ为积分步长，n为积分次数，d0为相邻轨线间初始间距。若相邻线间的间距随时间增大，系统则会出现混沌状态。进一步的，所述的发电机混沌运动域，其根据在实际海域中，波浪能带动浮子运动时所引起的边缘效应对混沌系统的影响，画出发电机混沌运动域。进一步的，在步骤S104中，通过状态反馈解耦系统中的输入变换矩阵F与状态反馈矩阵K进行对系统的解耦：对于式(5)中d轴与q轴电流之间的耦合关系，进行状态方程的矩阵列写，可得出：以d、q轴电流作为输出，记为Y，有：Y＝CI(8)式中采用状态反馈方式解耦，构造状态反馈矩阵F和K；依据经典控制理论进行推导，构造状态反馈矩阵如下：并进一步获得含解耦控制器的系统状态方程：结合(7～10)式，可将d、q轴解耦下的PMLSM状态方程进行初步的简化，并获得混沌模型；式中，为了不使式中输入电机的d-q轴电压与输入解耦控制信号混淆，特在输入解耦控制信号后加“*”加以区分，式中ud*、uq*分别代表控制器输入的控制信号。进一步的，将系统降为不高于原系统阶数的子系统，然后结合Lyapunov函数为子系统设定中间虚拟量，进而推导出全系统的控制：设置期望值id*、v*，分别为式(12)中d轴电流期望值与线速度的期望值，通常为了方便控制，d轴电流期望id*会设置为一常数，定义如下跟踪误差ed、ev及跟踪误差动态方程(ed为d轴电流跟踪误差，ev为线速度跟踪误差)：首先针对式(12)和式(13)中的ed进行状态方程的构建；定义其中△为外加干扰，设计滑模函数：其中cd必须满足Hurwitz条件，因此cd>0；构造Lyapunov函数：并代入式(14)、式(15)对式(16)进行求导，得：设计滑模控制率为：a(t)＝-kdsd-ηdsgn(s)+cdud*(18)其中kd>0,ηd＞0；计算可知该ud控制子系统稳定，完成转子d轴电流控制模块；针对式(12)和式(13)中的ev进行状态方程的构建：定义其中v1(t)为v的相关函数，b(t)为线速度控制律：构造Lyapunov函数：并代入式(19)、式(20)对式(21)进行求导，得：根据上式选取指数趋近律进行设计滑模控制率为：其中kv>0,ηv＞0；计算可知λv＞0，该uv控制子系统稳定，完成线速度v的控制模块；在式(18)和式(23)的控制下，得到构建虚拟控制系统的状态方程为：由式(24)，构造如下Lyapunov函数：对上式求导并将(24)代入可得：进一步的，在步骤S105中，假定式(11)中的γ和Ff均为未知参数，设定估计值为和其估计误差为：将式(27)代入式(20)中，可得：其中v2(t)是v1(t)中不包含Ff与γ的剩余项；为使构造虚拟控制量e1和e2，定义为：推导出e1、e2的动态方程为：进一步推导自适应参数为：式中kF、kγ为控制增益，kF、kγ>0；参数和可根据此自适应率进行实时在线更新，更新后的控制律b*(t)为：控制律b*(t)的控制下，λv＞0，该uv控制子系统稳定，验证滑模反步自适应系统可对PMLSM混沌状态进行控制，同时能对其参数进行在线预测和调整。与现有技术相比，有益效果是：本方法利用复合控制的互补优势，弥补了滑模控制滞后和颤振的缺点，并能实时校正系统参数，本方法的综合性能较好。该混沌控制策略能快速解除电机系统的混沌状态，抑制系统的颤振，削弱控制超调现象，具有较强的鲁棒性和较高的控制精度。附图说明图1是振荡浮子式波浪发电装置结构示意图；图2是PMLSM结构演化图；图3是PMLSM在不同σ和γ条件下的最大Lyapunov；图4是PMLSM在不同参数下的混沌状态及其混沌动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：建立边缘效应模型；S102：将S1中的边缘效应模型加入至理想电机模型中，建立混沌模型；S103：对混沌模型进行分析，判定混沌运动域，并针对波浪情况分析边缘效应对混沌系统的影响；S104：通过状态反馈解耦系统对混沌模型进行解耦降阶得到基本混沌控制律模型；S105：对位置参数进行跟踪调节，得到复合混沌控制器模型。

【技术特征摘要】
1.基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：建立边缘效应模型；S102：将S1中的边缘效应模型加入至理想电机模型中，建立混沌模型；S103：对混沌模型进行分析，判定混沌运动域，并针对波浪情况分析边缘效应对混沌系统的影响；S104：通过状态反馈解耦系统对混沌模型进行解耦降阶得到基本混沌控制律模型；S105：对位置参数进行跟踪调节，得到复合混沌控制器模型。2.根据权利要求1所述的基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，其特征在于，在步骤S102中，在将边缘效应模型加入至理想电机模型时，运用时标变换法将模型转换成类洛伦兹混沌方程。3.根据权利要求1所述的基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，其特征在于，在步骤S101中，所述的边缘效应模型为：式中Fdf-电机边缘效应阻力，Fdfm-边缘效应阻力波动幅值，s-为动子的直线位移，θ0-初始相位电角度。4.根据权利要求3所述的基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，其特征在于，所述的理想电机模型中，假设：铁芯不饱和；忽略PMLSM的涡流损耗；动子及永磁体上均无阻尼绕组；只考虑基波磁势，反电动势为正弦。5.根据权利要求4所述的基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，其特征在于，在理想电机模型中，利用坐标转换矩阵(2)将边缘效应模型(1)从ABC坐标系转换到d-q坐标系。用如下坐标转换矩阵(2)，将考虑边缘效应的PMLSM简化数学模型，从ABC坐标系转换到d-q坐标系：为构造经典混沌模型洛伦兹方程，对经过转换坐标的数学模型进行如式(3)的仿射变换和时标变换：式中x＝[idiqv]T，可得转换后方程(4)：式中γ是未知参数；上述式子中ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别为d-q轴电压、电流和电感(Ld＝Lq＝L)，Rs-动子相电阻，v-直线电机平移速度，M-电机动子质量，B-电机粘滞摩擦系数，τn-极距，Ψf-永磁体有效磁链，FLf-电机负载阻力，Ff＝Fdf+FLf；仿射变换和时标变换属于线性变换，变换前后系统特性不变，为简化描述，忽略上标，则PMLSM的混沌模型变为：6.根据权利要求1所述的基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，其特征在于，在步骤S103中，通过计算最大PMLSM指数谱，判定发电机混沌运动域，将最大的Lyapunov指数计算定义为：式中τ为积分步长，n为积分次数，d0为相邻轨线间初始间距。若相邻线间的间距随时间增大，系统则会出现混沌状态。7.根据权利要求1所述的基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，其特征在于，所述的发电机混沌运动域，其根据在实际海域中，波浪能带动浮子运动时所引起的边缘效应对混沌系统的影响，画出发电机混沌运动域。8.根据权利要求5所述的基于波浪发电PMLSM的滑模复合混沌控制方法，其特征在于，在步骤S104中，通过状态反馈解耦系统中的输入变换...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭绮仪，杨俊华，谢东燊，黄俊豪，叶剑杲，蔡浩然，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44