[发明专利]风力磁悬浮机舱的主被动悬浮控制方法

权利要求书

1.一种风力磁悬浮机舱的主被动悬浮控制方法，其特征是采用机舱俯仰被动抑制和机舱轴向主动悬浮协同控制方法，实现机舱悬浮单自由度控制；所述机舱俯仰被动抑制，采用涡流阻尼提升和机舱重心下移方法，被动平抑机舱俯仰，所述涡流阻尼提升是在风机偏航定子下侧安装涡流铝板，与机舱旋转体上悬浮绕组共同构成涡流阻尼系统；所述机舱重心下移是通过在机舱旋转体下侧设置俯仰配重，下移机舱重心，提升俯仰刚度；所述机舱轴向主动悬浮控制，采用机舱悬浮稳态控制器、悬浮干扰补偿器以及变流器反电动势自适应补偿的机舱轴向主动悬浮控制策略。

2.根据权利要求1所述风力磁悬浮机舱的主被动悬浮控制方法，其特征是设计步骤如下：

步骤1，构建风力磁悬浮机舱两自由度悬浮模型

a)采用电流微元法求取含涡流铝板的涡流阻尼力F_z和轴向悬浮力F

其中：S_a为总悬浮绕组面积，h为机舱悬浮有效气隙，a为悬浮绕组半径，I为悬浮电流，N为悬浮绕组匝数，c为涡流铝板厚度，σ为涡流铝板电导率，μ₀为真空导磁率,v为机舱悬浮速度；

b)风力磁悬浮机舱两自由度悬浮运动方程为

其中：T_m＝mgL+m₁gL₁，L为机舱旋转体俯仰力臂，L₁为俯仰配重力臂，F_z(h,v)为悬浮有效气隙h和速度v所对应的涡流阻尼力，x_1，2＝h±Rsinθ_p，m_a＝m+m₁，m_a为机舱旋转体总重量，m为机舱旋转体重量，m₁为俯仰配重重量，J为机舱俯仰转动惯量，T_r为风机倾覆力矩，F_z1和F_z2分别为桨叶侧和尾翼侧的阻尼力，F_x1和F_x2分别为桨叶侧和尾翼侧的悬浮力，θ_p为机舱俯仰角度，R为悬浮力臂，f_d为轴向下压力干扰；

c)风力磁悬浮机舱悬浮变流器模型为

其中：R_s为绕组总内阻；U_dc直流母线电压，u为控制输入占空比；

步骤2，风力磁悬浮机舱两自由度悬浮模型线性化

a)将式(2)基于平衡点(h₀,I₀)线性化，并忽略三阶以上高阶项

其中：x₁和x₂分别为桨叶侧和尾翼侧的悬浮气隙，F₁(h₀,I₀)和F₂(h₀,I₀)分别为桨叶侧和尾翼侧平衡点的悬浮力，i为平衡点电流I₀处的变化量，为悬浮力二次项系数，

b)由式(6)和(7)可得风力磁悬浮机舱两侧悬浮合力和差额力分别为

其中：I₁和I₂为桨叶侧和尾翼侧悬浮电流，其值为I；

c)风力磁悬浮机舱悬浮系统的线性化模型为

其中：Δi为平衡点电流I₀处的微小电流变化量，Δh为平衡点气隙h₀处的微小气隙变化量，为平衡点气隙h₀处的微小气隙速度变化量，为平衡点气隙h₀处的微小气隙加速度变化量，Δu为平衡点电流I₀处的微小控制输入占空比变化量，

步骤3，风力磁悬浮机舱俯仰被动抑制系统设计

a)对式(10b)风力磁悬浮机舱俯仰运动拉氏变换为

由式(11)可得风力磁悬浮机舱俯仰刚度为

b)风力磁悬浮机舱俯仰角度约束为

其中：T_N风机额定倾覆力矩，d₂为机舱旋转体内径，d₁塔架外径；

c)将式(12)和式(14)代入至式(13)中，可得风力磁悬浮机舱配重力臂为

d)基于式(11)获得风力磁悬浮机舱俯仰角度变化轨线为

θ_p(t)＝e^-σtcos(ωt-φ)+T_r/k_pstiff (16)

其中：

e)根据风力磁悬浮机舱俯仰收敛时间要求，基于以及式(10)，计算风力磁悬浮机舱俯仰被动抑制所需的悬浮力臂R和涡流铝板厚度c；

步骤4，风力磁悬浮机舱轴向主动悬浮控制器设计，对式(10c)引入虚拟变量u＝-2k_iΔi/m_a+f_dc，以Δh,为状态变量x₁,x₂，机舱轴向主动悬浮模型为

步骤5，引入Δhs/(T_fs+1)代替风力磁悬浮机舱轴向主动悬浮控制输入为u＝k₁x₁+k₂x₂/(T_fs+1),T_f为滤波系数，k₁和k₂为控制器系数，则风力磁悬浮机舱轴向主动悬浮闭环特征方程为

m_aT_fs³+(m_a+k_zT_f)s²+((2k_δ-k₁)T_f-k₂+kz)s+2k_δ-k₁＝0 (18)

考虑滤波系数T_f＜＜1，将式(18)闭环特征方程简化为

m_as²+(k_z-k₂)s+2k_δ-k₁＝0 (19)

由于式(17)为可控标准型，极点可任意配置，则风力磁悬浮机舱轴向主动悬浮系统的期望特征方程为

其中：ζ为期望阻尼系数，ω_n为期望角频率；

步骤6，风力磁悬浮机舱轴向主动悬浮控制器参数计算

a)额定风速V_r,产生的最大轴向下压力f_dmax，施加于机舱产生的气隙波动量必须小于机舱设计的最大允许波动量Δδ_max，即

其中，C_p为风能利用系数，ρ为空气密度，A₂为机舱上侧面积；

b)由式(19)、(20)以及(21)可得2ζω_nm_a＝k_z-k₂，

步骤7，引入虚拟变量则外部干扰以及风力磁悬浮机舱俯仰震荡所致综合干扰可表示为

其中：c_h和c_fd为正参数，确保干扰补偿快速收敛；

步骤8，由式(10c)设计悬浮电流PI(比例积分)跟踪控制器，同时为降低变流器系统参数变化以及机舱悬浮气隙波动对电流跟踪速度影响，设计反电动势补偿系数的自适应律为

其中：e＝i_ref-i，i_ref为平衡点电流I₀处的电流变化参考，γ为正实数，确保自适应律的快速收敛。