[发明专利]基于自适应神经网络的磁悬浮垂直轴风电机组悬浮控制方法

权利要求书

1.基于自适应神经网络的磁悬浮垂直轴风电机组悬浮控制方法，所述磁悬浮垂直轴风电机组，包括磁悬浮垂直轴风力发电机、悬浮控制系统、气隙传感器、风轮、外壳和转轴；所述磁悬浮垂直轴风力发电机包括永磁直驱型风力发电机和磁悬浮盘式电机；所述永磁直驱型风力发电机包括定子和转子；所述磁悬浮盘式电机包括盘式定子和盘式转子；所述盘式定子由盘式定子铁芯和悬浮绕组组成，所述悬浮绕组为直流励磁绕组；所述悬浮控制系统由悬浮变流器及其悬浮控制器组成，所述悬浮变流器与所述悬浮绕组连接，所述悬浮控制器包括外环悬浮气隙跟踪控制器和内环悬浮电流跟踪控制器；所述永磁直驱型风力发电机的转子、所述磁悬浮盘式电机的盘式转子、所述风轮和所述转轴统称为旋转体；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，当风速达到切入风速时，所述悬浮控制器的外环悬浮气隙跟踪控制器采用滑模控制策略，所述悬浮控制器的内环悬浮电流跟踪控制器采用PID控制，控制所述磁悬浮盘式电机的定子电流，使所述旋转体向上悬浮至并保持在悬浮平衡点处实现稳定悬浮，具体方法是：

11)设计滑模面s为：

式中，e为悬浮气隙跟踪误差：e＝δ^*-δ，δ^*为悬浮平衡点处的悬浮气隙参考值，δ为悬浮气隙测量值；c₀、c₁为正实数；

将式(1)对时间t求导，则有：

根据所述旋转体在垂直方向上的力学方程：

式中，为δ对时间t的二阶导数；m为所述旋转体质量，g为重力加速度；f_d为外界随机干扰力；k＝μ₀N²A/4，其中，μ₀为真空磁导率，A为所述盘式定子的磁极表面有效面积，N为所述悬浮绕组的匝数；i_f为所述磁悬浮盘式电机的定子电流；

则有：

式中，F＝g+f_d/m，G＝-k/(mδ²)，u＝i_f²，F、G、u分别代表不确定参数项、系统已知项和滑模控制器的输出；

将式(4)代入式(2)，可得：

12)求滑模控制器的输出：

取指数趋近律为：

式中，μ、η为正实数，sigmoid函数为双极性S型函数：

将式(6)代入式(5)，同时用u_SMC代替u，则求得所述滑模控制器的输出为：

13)将步骤12)中式(7)得到的所述滑模控制器的输出u_SMC的绝对值求取开方，得到所述外环悬浮气隙跟踪控制器的输出，令其为所述磁悬浮盘式电机的定子电流参考值

14)将所述磁悬浮盘式电机的定子电流参考值与其实际测量值i_f作差，经所述内环悬浮电流跟踪控制器送入PWM模块，产生所述悬浮变流器的驱动信号，从而控制所述磁悬浮盘式电机的定子电流i_f，使所述旋转体向上悬浮至并保持在悬浮平衡点处；

步骤2，当所述旋转体到达平衡点实现悬浮后，所述悬浮控制器的外环悬浮气隙跟踪控制器改用自适应径向基神经网络滑模控制策略，所述悬浮控制器的内环悬浮电流跟踪控制器采用PID控制，控制所述磁悬浮盘式电机的定子电流，使所述旋转体在悬浮平衡点处保持稳定悬浮，具体方法是：

21)利用径向基神经网络逼近式(4)中的不确定参数项F，具体方法是：

A.确定所述径向基神经网络的层数：

所述径向基神经网络包含1个输入层、1个隐含层、1个输出层，其中所述输入层的输入向量为：为δ对时间t的一阶导数；所述隐含层有n个神经元；所述输出层有1个神经元；

B.选择高斯基函数作为所述隐含层的激活函数，则所述隐含层的输出为

式中，h_j为所述隐含层第j个节点的输出，j＝1,2,…,n为所述隐含层的节点数，c_j＝[c_j1,c_j2]^T是所述隐含层第j个节点高斯基函数的中心向量，||x-c_j||为衡量输入向量x与所述隐含层第j个节点中心向量的欧式范数，b_j是所述隐含层第j个节点的标准化常数；

C.以所述隐含层输出值的加权值总和计算所述输出层的输出，令所述输出层的输出y为式(4)中的不确定参数项F的估计值则有：

式中，表示所述输出层的权值向量，h＝[h₁,h₂,…,h_n]^T表示所述隐含层的输出向量，其中，h_j由式(9)求得；

22)求自适应径向基神经网络滑模控制器的输出：

根据式(5)、(6)和(10)，同时用u_ASMC代替u，求得所述自适应径向基神经网络滑模控制器的输出为：

23)求所述径向基神经网络输出层的权值自适应律：

令不确定参数项F表示为：

F＝W^*Th+ε (12)

式中，ε为逼近误差，且满足|ε|≤ε_N，ε_N是ε的最小上确界，是一个有界正实数；W^*为所述径向基神经网络输出层的理想权值向量；

将式(11)、(12)代入式(5)，可得：

式中，

构造Lyapunov函数为：

式中，γ为正实数；

对式(14)求导，并结合式(13)，则有：

取所述径向基神经网络输出层的权值自适应律为：

将式(16)代入式(15)，则有：

由于ε是极小的正实数，因此只要选取η≥ε_N，即可得到则根据Lyapunov稳定性理论，可证得所述自适应径向基神经网络滑模控制器是全局渐进稳定的；

24)将步骤23)中式(11)得到的所述自适应径向基神经网络滑模控制器的输出u_ASMC的绝对值求取开方，得到所述外环悬浮气隙跟踪控制器的输出，令其为所述磁悬浮盘式电机的定子电流参考值

25)将所述磁悬浮盘式电机的定子电流参考值与其实际测量值i_f作差，经所述内环悬浮电流跟踪控制器送入PWM模块，产生所述悬浮变流器的驱动信号，从而控制所述磁悬浮盘式电机的定子电流i_f，使所述旋转体在悬浮平衡点处保持稳定悬浮。