[发明专利]一种磁悬浮控制力矩陀螺框架系统高精度角速率控制方法

权利要求书

1.一种基于参数优化扩张状态观测器的磁悬浮控制力矩陀螺框架系统高精度角速率控制方法，其特征在于，首先建立磁悬浮控制力矩陀螺框架系统电压和转矩输出方程，基于该方程建立状态空间表达式，并转换为积分串联形式以设计扩张状态观测器，通过状态反馈消除集总干扰；通过分析扩张状态观测器中的估计误差，建立评估系统集总干扰和测量噪声影响程度的代价函数，以期最小化系统集总干扰和测量噪声的综合影响，进而设计自适应的动态参数优化方法；

所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：建立磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统电压和转矩输出方程，为：

其中，u_d和u_q分别为d、q轴定子电压；i_d和i_q分别为d、q轴定子电流；L_d和L_q分别为d、q轴电感，L_d＝L_q＝L；λ_d和λ_q分别是永磁同步电机的d、q轴磁链；R是定子电阻；ω是机械角速度；B是摩擦系数；T_L是负载转矩；T_cog是齿槽转矩；T_e是电磁转矩；p是电机极对数；J是转动惯量；

对于q轴电流，从上述电压方程中可得到：

其中为q轴电流环的输出；为q轴定子电流的“集总干扰”；为已知量；

定义状态变量为X＝[x₁ x₂]＝[i_q d_q(t)]，令则q轴电流的状态空间表达式为：

步骤(2)：根据所述步骤(1)中的框架系统的q轴电流的状态空间表达式，通过将q轴电流环输出作为扩张状态观测器的输入，将扩张状态观测器设计为：

其中z₁用于估计i_q；z₂用于估计d_q(t)；e_q＝z₁-i_q；β₁和β₂是扩张状态观测器的参数；

根据状态反馈控制理论，控制率设计为：

其中k_q是电流环控制器参数；是q轴输入的参考电流；

采用与步骤(1)和步骤(2)相同的方法，分别设计d轴电流环和速度环的扩张状态观测器与控制率，如下：

d轴电流环扩张状态观测器设计为：

其中z_d1用于估计i_d；z_d2用于估计d轴的集总扰动；β_d1和β_d2是扩张状态观测器的参数；e_d＝z_d1-i_d；

d轴电流环控制率设计为：

其中为d轴电流环的输出，k_d为电流环控制器参数，为d轴参考电流；

速度环的扩张状态观测器设计为：

其中，zω1用于估计ω；z_ω2用于估计速度环的集总扰动；e_ω＝z_ω1-ω；β_ω1和β_ω2是扩张状态观测器的参数；

速度环的控制率设计为：

其中，为速度环输出，k_ω为速度环控制器参数，ω^*为速度环输入的参考速度；

步骤(3)：在所述步骤(2)中的设计的扩张状态观测器中加入实际存在并影响系统精度的测量噪声，可以得到含有噪声项的扩张状态观测器，以q轴为例，加入噪声项的状态空间表达式为：

其中，h(t)为测量噪声；

则含有噪声项的扩张状态观测器可设计为：

其中，

令e＝Z-X，即e₁＝z₁-x₁，e₂＝z₂-x₂；则误差的微分为：

对该微分方程进行拉普拉斯变换，得到：

其中，G＝(s+β₁)；

分析上述方程可知，若要提高估计精度，需要使得估计误差趋向于零，即e₁→0,e₂→0，则应使β₂β₁成立，但是若β₂太大，将会引入更大的测量噪声；虽然两者存在矛盾，但是可以通过合理选择β₂、β₁的大小，使集总干扰和测量噪声两者的影响达到系统可接受范围内的最优值。