[发明专利]一种基于滑模变结构控制的削弱磁悬浮飞轮抖振的方法

说明书

本发明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H_Δ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。

技术领域

本发明属于飞轮控制技术领域，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。

背景技术

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，并能调节该频率，就可以使抖振频率避开某些危险频段，从而避免共振和器件损坏。

目前用的比较多的削弱滑模变结构抖振的方法有智能控制方法和滑模变结构相结合、高阶滑模等。以“一种消弱滑模变结构控制系统抖振的方法的”这一专利为例，其中用到的智能控制方法和滑模变结构相结合，主要方法是模糊变结构控制方法，模糊滑模变结构控制的主要特点是对内部参数的变动和外部扰动作用具有自适应性，通过归纳模糊规则来加速到达滑模区，加快了系统的响应速度，减小了超调，可以有效的抑制高频抖振并削弱抖振。再例如论文《滑模变结构控制中抖振的特性研究与抑制》中用到的高阶滑模是通过适量的输入和非线性状态变换将系统分解为一个关于切换变量和高阶导数的低阶线性子系统和关于滑模的低阶非线性子系统，滑动阶数对系统的抖振有明显影响作用，滑动阶数越高，切换函数抖振就越弱。这两种方法虽然能有效削弱控制规律的高频切换产生的抖振，但计算量大，难以在实时性很强的控制系统应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种计算量小、控制方法简单、实时性强、能有效地削弱磁悬浮飞轮在高速状态下产生的抖振。

本发明利用滑模变结构控制技术，提出一种削弱磁悬浮飞轮抖振的方法，是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广义DF(Describing Function)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H_Δ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。采用的具体技术方案如下: