[发明专利]一种直流电机驱动的飞轮系统转速控制方法

摘要

本发明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。

主权项

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：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：式中，δ按公式(9)计算：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：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：式中，u_a为输入到电机的控制电压，M_c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：Km、K1和K2为电机传递系数按公式(15)～(17)计算：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：式中，T₁^*和分别为机电时间常数T₁和电机传递系数K_m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：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：附加项φ按公式(22)计算：其中，控制增益L(t)和根据步骤S200计算得到。