一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法技术

本发明专利技术公开了一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法，包括：根据磁悬浮飞轮电机的控制模型，针对模糊PID控制器，确定输入变量、输出变量及相应的变化范围；设计模糊规则的初始参数；通过模糊推理获取输出量；将输出的位移和转速处理为伸缩因子参数τ的函数；获取当前时刻和上一时刻中位移和转速读值，通过梯度下降公式更新伸缩因子参数τ。本发明专利技术通过对输出结果中的位移和转速设置权重，利用梯度下降算法对模糊规则中的伸缩因子参数进行在线自调整，使得系统输出位移的稳态精度增大，避免了系统的振荡。

【技术实现步骤摘要】
一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法
本专利技术涉及磁悬浮电机的
，尤其涉及一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法。
技术介绍
自21世纪以来，人类面临的环境和能源问题促使电动汽车进入高速发展阶段。作为车载动力电池的飞轮储能装置与传统化学蓄电池相比，具有能量密度高、无过度充放电问题、充电快、寿命长以及无污染的优势，符合未来能源战略发展的方向，具有重大研究意义。应用于飞轮储能领域的电机主要有交流感应电机、永磁电机及开关磁阻电机，其中感应电机的效率高、价格低、维护方便，但是电机的转子转差损耗大，转速不能太高；永磁电机的功率密度高，调速性能好，但轴向尺寸过大，临界转速低，限制其应用领域，并且磁轴承需要一定数量的线圈、铁芯、传感器、控制系统等，因此整个系统成本较高。近年来兴起的磁悬浮无轴承电机结合了磁轴承与开关磁阻电机的双重优点，可简化系统结构，提高临界转速与可靠性，将其用于飞轮领域，形成具备独特优势的磁悬浮飞轮电机，得到国内外学者广泛研究，相继出现径向分相、轴向分相等结构，其中，轴向分相结构在实现电动/发电的同时，不额外增设磁轴承，仅用轴向分布的两套悬浮绕组即可实现径向四自由度悬浮，从而大幅提高系统集成度和临界转速，十分适合飞轮储能磁悬浮支承及能量的转化系统。为了充分发挥轴向永磁磁悬浮飞轮电机的潜在优势，需要对飞轮转子进行稳定的悬浮与旋转的控制，这要求控制算法具有较高的控制精度，并能够有效地抑制系统的噪声，实现飞轮电机的正常工作。应用最广的控制算法有PID(比例-积分-微分)控制，但在电机控制的过程中，一组整定好的PID参数往往不能满足系统的要求，这就要求在PID控制中，能够实现参数的自调整。一般将模糊控制与PID控制相结合，利用模糊控制的模糊化处理、按模糊规则决策、PID参数解模糊3个环节，完成PID参数的在线自调整。现有的模糊自适应PID控制算法中，采用系统偏差e和偏差增量ec作为输入参数，但基于模糊控制的原理可知，控制系统的性能依赖于模糊论域的确定、模糊规则的建立、隶属度函数的选择、及模糊推理方法等。根据实际仿真经验，当隶属度函数在模糊论域上均匀分布时，系统的控制效果并不理想。因此，对于电机控制系统而言，一般的模糊控制器的误差较大，难以满足对飞轮转子的高精度控制的要求。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中磁悬浮飞轮电机模糊控制器误差较大的缺陷，本专利技术公开了一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法，通过对输出结果中的位移和转速设置权重，利用梯度下降算法对模糊规则中的伸缩因子参数进行在线自调整，使得系统输出位移的稳态精度增大，避免了系统的振荡。技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案。一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法，包括以下步骤：S1、设置模糊PID控制器的输入变量和输出变量：根据磁悬浮飞轮电机的控制模型，针对模糊PID控制器，确定输入变量、输出变量及相应的变化范围；其中输入变量包括转子位移实际值与给定值的偏差e和转子位移实际值与给定值偏差的变化率ec，输出变量包括PID控制器中比例参数P的修正量ΔKp、PID控制器中积分参数I的修正量ΔKi和PID控制器中微分参数D的修正量ΔKd；S2、设计模糊规则的初始参数：设计模糊规则的初始参数，包括模糊论域、隶属度函数和模糊推理方法，其中，模糊论域中包括输入变量e模糊论域的伸缩因子αe和输入变量ec模糊论域的伸缩因子αec，其中αe和αec均为伸缩因子参数τ的函数；S3、通过模糊推理获取输出量：根据步骤S2中的伸缩因子αe和αec调整模糊论域的大小，通过模糊推理将输入变量e和ec模糊化，经过解模糊处理后，获取输出量，即PID控制器中修正量ΔKp、修正量ΔKi和修正量ΔKd；将所述输出量输入至磁悬浮飞轮电机的控制模型中进行转子的位移和转速调节；S4、将输出的位移和转速处理为伸缩因子参数τ的函数：根据输出位移和转速设置权重，并将输出的位移和转速处理为伸缩因子参数τ的函数；S5、更新伸缩因子参数τ：获取当前时刻和上一时刻中位移和转速读值，通过梯度下降公式更新伸缩因子参数τ，并返回步骤S2。优选地，所述步骤S1中输入变量e和ec的计算公式为：e＝x-x*其中，x*为转子位移给定值，x为转子位移实际值。优选地，所述步骤S1中输入变量、输出变量相应的变化范围为：输入变量e的变化范围为[-3，3]，输入变量ec变化范围设置为[-300，300]，模糊论域范围设置为[-6，6]；输出变量ΔKp变化范围设为[-6，6]，ΔKi变化范围设为[-6，6]，ΔKd变化范围设为[-6，6]，输出变量的模糊论域统一设定为[-6，6]。优选地，所述步骤S2中输入变量e模糊论域的伸缩因子αe和输入变量ec模糊论域的伸缩因子αec的函数表达式为：其中，E为输入变量e变化范围的边界值；EC表示输入变量ec变化范围的边界值；τ表示伸缩因子参数，x为转子位移实际值。优选地，所述步骤S4中将输出的位移和转速处理为伸缩因子参数τ的函数，其计算公式为：F(τ)＝λ1X+λ2Nλ1+λ2＝1其中，X为输出的位移读值，N为输出的转速读值，λ1为位移权重，λ2为转速权重。优选地，所述步骤S5中梯度下降公式为：其中，θk为第k步的变量值，θk+1为第k+1步的变量值，α表示学习率，J是关于θ的一个函数。优选地，所述步骤S5中通过梯度下降公式更新伸缩因子参数τ，其计算公式为：其中，F(τk)为当前时刻输出的位移和转速处理结果，F(τk-1)为上一时刻输出的位移和转速处理结果，τk为当前时刻伸缩因子参数，α为学习率，Δτ为参数τ的步长。有益效果：本专利技术通过对输出结果中的位移和转速设置权重，利用梯度下降算法对模糊规则中的伸缩因子参数进行在线自调整，使得系统输出位移的稳态精度增大，避免了系统的振荡。附图说明图1是本专利技术的结构设计框图；图2为本专利技术的方法流程图；图3为本专利技术的隶属度函数语言值示意图。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面将结合附图对本专利技术的一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法做进一步详细描述。如附图1所示，本专利技术公开了一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法，包括以下步骤：步骤1、根据电机控制模型，针对模糊PID控制器，确定模糊输入变量为e、ec，输出变量为ΔKp、ΔKi、ΔKd，输入变量e是转子位移实际值与给定值的偏差；输入变量ec是转子位移实际值与给定值偏差的变化率；其中，转子位移给定值为飞轮转子稳定悬浮时所处的位置；输出变量ΔKp是控制系统中PID控制器中参数P的修正量；输出变量ΔKi是控制系统PID控制器中参数I的修正量；输出变量ΔKd是控制系统PID控制器中参数D的修正量。步骤2、获取模糊规则的初始参数，模糊规则参数包括模糊论域大小、隶属度函数以及模糊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、设置模糊PID控制器的输入变量和输出变量：根据磁悬浮飞轮电机的控制模型，针对模糊PID控制器，确定输入变量、输出变量及相应的变化范围；其中输入变量包括转子位移实际值与给定值的偏差e和转子位移实际值与给定值偏差的变化率ec，输出变量包括PID控制器中比例参数P的修正量ΔK

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设置模糊PID控制器的输入变量和输出变量：根据磁悬浮飞轮电机的控制模型，针对模糊PID控制器，确定输入变量、输出变量及相应的变化范围；其中输入变量包括转子位移实际值与给定值的偏差e和转子位移实际值与给定值偏差的变化率ec，输出变量包括PID控制器中比例参数P的修正量ΔKp、PID控制器中积分参数I的修正量ΔKi和PID控制器中微分参数D的修正量ΔKd；
S2、设计模糊规则的初始参数：设计模糊规则的初始参数，包括模糊论域、隶属度函数和模糊推理方法，其中，模糊论域中包括输入变量e模糊论域的伸缩因子αe和输入变量ec模糊论域的伸缩因子αec，其中αe和αec均为伸缩因子参数τ的函数；
S3、通过模糊推理获取输出量：根据步骤S2中的伸缩因子αe和αec调整模糊论域的大小，通过模糊推理将输入变量e和ec模糊化，经过解模糊处理后，获取输出量，即PID控制器中修正量ΔKp、修正量ΔKi和修正量ΔKd；将所述输出量输入至磁悬浮飞轮电机的控制模型中进行转子的位移和转速调节；
S4、将输出的位移和转速处理为伸缩因子参数τ的函数：根据输出位移和转速设置权重，并将输出的位移和转速处理为伸缩因子参数τ的函数；
S5、更新伸缩因子参数τ：获取当前时刻和上一时刻中位移和转速读值，通过梯度下降公式更新伸缩因子参数τ，并返回步骤S2。


2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法，其特征在于：所述步骤S1中输入变量e和ec的计算公式为：
e＝x-x*



其中，x*为转子位移给定值，x为转子位移实际值。


3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮飞轮电机模糊PID控制优化方法，其特征在于：所述步骤S1中输入变量...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志莹，徐浩然，朱海浪，张懿涛，董力，钱栋樑，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32