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磁悬浮垂直轴风电机组中的磁悬浮系统控制研究

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磁悬浮垂直轴风电机组中的磁悬浮系统控制研究

作者：谌义喜曲阜师范大学

学位级别：硕士

我国低风速风能资源丰富,随着以风能为代表的新能源发电技术的日趋成熟,低风速风电的发展前景愈发广阔。但低风速区域风向风速变化频繁,现有水平轴风力发电机需要偏航对风、启动阻力矩大,因而难以满足低风速风电需求。磁悬浮垂直轴风力... 详细信息

我国低风速风能资源丰富,随着以风能为代表的新能源发电技术的日趋成熟,低风速风电的发展前景愈发广阔。但低风速区域风向风速变化频繁,现有水平轴风力发电机需要偏航对风、启动阻力矩大,因而难以满足低风速风电需求。磁悬浮垂直轴风力发电机无需偏航对风,还能够通过产生悬浮力来抵消风机旋转体的重力从而降低损耗并减小启动风速,因而更适合低风速区域。为此,本课题组研发一种低风速磁悬浮垂直轴风电机组,此机组由风力机、主发电机以及磁悬浮系统等组成。本文重点对其中的磁悬浮系统控制展开研究。首先,根据力学与电磁学分析,建立磁悬浮动态数学模型。为加快收敛速度并提高系统鲁棒性,提出一种基于神经网络PID控制(NN-PID)的悬浮控制策略。考虑到外部扰动和系统参数摄动,将NN-PID应用于悬浮气隙外环并在悬浮电流内环中采用传统PID控制。仿真结果表明,相比传统双闭环PID控制方法(DL-PID),NN-PID策略能够调节PID参数,磁悬浮系统的控制性能得到了有效提升。最终,搭建基于Buck拓扑的悬浮实验平台对NN-PID方法进行分析研究。其次,为弥补NN-PID方法存在的鲁棒性能相对较弱,电流滞后时间相对较长的弊端,采用自适应神经网络滑模控制策略(ANN-SMC)进行悬浮气隙外环控制器设计,并在悬浮电流内环中采用传统PID控制器。仿真结果表明ANN-SMC策略在抗干扰能力及动态响应能力方面均优于NN-PID。最终,搭建两象限H桥拓扑实验平台对ANN-SMC策略进一步验证,实验结果表明ANN-SMC策略具有更强的控制性能。第三,为进一步降低启动风速,本文提出一种混合型低风速磁悬浮垂直轴风电机组结构,采用电励磁和永磁铁构成磁悬浮系统的混合励磁系统,将悬浮阻尼作为磁悬浮控制目标,并建立基于悬浮阻尼的动态数学模型。其次采用神经网络多步模型预测控制策略(NN-MMPC)进行悬浮阻尼控制器设计及仿真实验平台搭建,仿真结果表明NN-MMPC能够提升鲁棒性。最终搭建四象限H桥拓扑实验平台,并对NN-MMPC策略进行分析与研究,实验结果表明NN-MMPC策略能够实现稳定悬浮运行。第四,针对低风速磁悬浮垂直轴风电机组旋转过程中动态悬浮控制,建立风力机和磁悬浮盘式电机动态数学模型。为消除磁悬浮盘式电机中定转子间磁场耦合对悬浮控制影响,定子侧变流器采用零d轴电流控制策略(ZDC),通过仿真平台检验ZDC控制性能。最终,搭建实验平台用来验证定子侧变流器控制性能。实验结果表明,采用所提控制策略,可实现稳定的动态悬浮控制,定子侧变流器能够满足设计要求。

关键词：磁悬浮系统神经网络 PID控制滑模控制模型预测控制零d轴电流控制

可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统自抗扰控制的研究

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可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统自抗扰控制的研究

作者：李枫沈阳工业大学

学位级别：硕士

可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统对比传统驱动系统省掉了中间传动环节,可实现稳定悬浮和无摩擦运行。本文以国家自然科学基金项目“可控励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台运行机理与控制策略研究”为研究背景,针对可控励磁直线电动机... 详细信息

可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统对比传统驱动系统省掉了中间传动环节,可实现稳定悬浮和无摩擦运行。本文以国家自然科学基金项目“可控励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台运行机理与控制策略研究”为研究背景,针对可控励磁直线电动机控制系统易受到外界干扰的特点,研究其垂直方向磁悬浮系统的自抗扰控制。具体研究内容如下:(1)研究可控励磁直线同步电动机的运行机理并求解其数学模型,推导得出电机的电压、磁链、电磁推力、垂直方向的悬浮力方程与水平方向的运动方程。对于悬浮系统与进给系统的耦合问题,采用i=0控制策略,进行部分解耦,以便于磁悬浮控制系统与磁悬浮控制器的设计。(2)将自抗扰控制策略的思想应用于可控励磁直线同步电动机的悬浮控制系统中,分步完成跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈控制律(NLSFE)的设计,组成三阶非线性自抗扰控制器。自抗扰中TD作用主要是对给定信号滤波与跟踪,对输入信号减少干扰。ESO主要是对系统的负载扰动、端部效应、外在不确定的扰动等进行估计再进行补偿。NLSFE采用非线性函数与误差变量进行加权,得到控制律。本文三阶非线性自抗扰控制器存在多参数待整定问题,给出非线性函数参数整定规律。建立自抗扰控制的系统仿真模型,其结果与PI控制器对比,分析三阶非线性自抗扰控制器对系统控制的优越性。(3)研究传统灰狼优化算法的原理并对其进行改进,应用改进后的灰狼优化算法对三阶非线性自抗扰控制器的参数进行优化。虽然灰狼优化算法与其他优化算法相比更易于实现、需要调整的参数少,但是其求解精度不高,因而将粒子群优化算法中最优解可以自动进行记忆保存的优点与灰狼优化算法相结合,加强算法的求解精度。然后选择合适的性能指标,搭建仿真模型,分别对基于自抗扰控制的系统、基于灰狼算法优化后的自抗扰控制系统以及改进灰狼算法优化的系统进行仿真,并对仿真结果进行对比分析。

关键词：可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统三阶非线性自抗扰控制器改进灰狼优化算法

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磁悬浮球系统线性自抗扰控制算法研究

磁悬浮球系统线性自抗扰控制算法研究

作者：魏丽兵江西理工大学

学位级别：硕士

磁悬浮技术作为一种多学科融合的高新技术,在交通运输、航天航空以及工业生产等领域具有良好的应用前景,其中磁悬浮轨道交通系统是我国交通规划发展的重要战略组成部分,也是是磁悬浮技术热门应用之一。悬浮控制问题是磁悬浮技术中最核... 详细信息

磁悬浮技术作为一种多学科融合的高新技术,在交通运输、航天航空以及工业生产等领域具有良好的应用前景,其中磁悬浮轨道交通系统是我国交通规划发展的重要战略组成部分,也是是磁悬浮技术热门应用之一。悬浮控制问题是磁悬浮技术中最核心、最基本问题,引起了众多学者的广泛关注,但磁悬浮系统具有非线性、易干扰以及精度要求高等特点,传统控制算法难以满足其控制需求。本文将磁悬浮球系统作为研究悬浮控制的载体,聚焦于磁悬浮球系统,通过多种方法提升线性自抗扰悬浮控制器的控制性能。本文的主要研究内容及结论如下:(1)首先对磁悬浮球系统的基本组成与工作原理进行阐述,通过机理建模方法对单自由度磁悬浮球系统建模,分析系统的本质特点,依据磁悬浮球的物理特性,在系统工作点附近使用泰勒公式对其线性化处理;其次针对系统的数学模型从闭环稳定性、完全能控性及完全能观测性三个方面进行分析。对系统的响应进行多方面的评估:一方面使用系统的动态响应指标进行评估;另一方面对系统响应使用多种误差积分函数对其进行量化分析。(2)在理想工作点附近,磁悬浮球系统的数学模型可以线性化为一个二阶不稳定系统,此时磁悬浮球系统作为一个“已知”数学模型可为线性自抗扰控制器的参数整定提供参考,本文引入自适应步长布谷鸟搜索算法来解决线性自抗扰控制器中的参数优化问题,该算法能够有效的对线性自抗扰控制器的参数进行整定,最后设计不同仿真对比分析SMC、LADRC以及ASCS-LADRC的各项控制性能,结果表明ASCSLADRC的快速性、抗干扰性具有明显优势。(3)引入RBF神经网络对非线性的磁悬浮球系统进行高纬度的映射,在高纬度空间内逼近系统的线性表达式以及求解系统雅可比状态方程,利用梯度下降法实现对LADRC控制器参数的自适应整定,提升算法的各项控制性能。通过仿真对比分析发现RBF-LADRC的动态性能、抗干扰能力以及自适应能力均优于PID与L-SMC。(4)最后通过固高磁悬浮系统GML2001,设计实验分别对ASCS-LADRC和RBFLADRC两种算法的动态响应性能以及跟随性能两个方面进行验证。实验结果表明:当磁悬浮球稳定悬浮时,RBF-LADRC的悬浮间隙误差在±0.6mm,ASCS-LADRC的悬浮间隙误差在±1.0mm,随后对算法的跟随性能进行分析验证,并使用误差积分指标对算法响应情况量化,得出RBF-LADRC的控制性能更加优越的结论。

关键词：磁悬浮系统 LADRC ASCS算法 RBF神经网络误差积分

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垂直轴磁悬浮风电系统双环自适应悬浮控制

太阳能学报 2010年第12期31卷 1649-1654页

作者：杨国良张广路李惠光燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室秦皇岛066004

提出了一种用于垂直轴风电系统的电磁和永磁相结合的混合磁悬浮设计方案及悬浮控制方案,其轴向位移由电磁铁主动控制,其余自由度由永磁铁以吸力方式给予约束,同时由永磁铁提供电磁控制的偏置磁场。建立了磁悬浮控制系统的模型,对电流环... 详细信息

提出了一种用于垂直轴风电系统的电磁和永磁相结合的混合磁悬浮设计方案及悬浮控制方案,其轴向位移由电磁铁主动控制,其余自由度由永磁铁以吸力方式给予约束,同时由永磁铁提供电磁控制的偏置磁场。建立了磁悬浮控制系统的模型,对电流环和位置环均采用模型参考自适应控制方案。对系统受到阶跃扰动的位移响应进行了仿真和实验,仿真和实验结果均证明这种控制方法能够使电流环快速跟踪给定信号,保证此悬浮系统能够很好地适应风速发生突变的情况,具有一定的实用价值。

关键词：垂直轴风力机磁悬浮系统风力发电模型参考自适应控制双闭环

直线同步电动机磁悬浮系统的自适应模糊滑模控制

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控制与决策 2021年第3期36卷 693-698页

作者：蓝益鹏李洁沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870

提出一种自适应模糊滑模控制方法用以提高可控励磁直线同步电动机(controllable excitation linear synchronous motor, CELSM)磁悬浮控制系统的性能.根据CELSM的特定结构和运行机理,建立CELSM磁悬浮系统的数学模型,包括励磁回路的电压... 详细信息

提出一种自适应模糊滑模控制方法用以提高可控励磁直线同步电动机(controllable excitation linear synchronous motor, CELSM)磁悬浮控制系统的性能.根据CELSM的特定结构和运行机理,建立CELSM磁悬浮系统的数学模型,包括励磁回路的电压方程、磁悬浮力方程和运动方程;设计积分滑模面和分段趋近律,系统状态轨迹可以根据距滑模面的距离自动切换趋近速度,以很小的斜率穿越滑模面,减小系统的抖振,推导出相应的滑模控制器;为了克服不确定性扰动对系统的影响,设计自适应律使自适应模糊系统对不确定性扰动进行实时估计,用该估计值进行前馈补偿控制,减小控制律中的切换增益和系统的抖振,进一步推导出自适应模糊滑模控制器;用Matlab对控制系统进行仿真,仿真结果表明,采用自适应模糊滑模控制的CELSM磁悬浮系统的性能得到改善.

关键词：可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统自适应律模糊系统自适应模糊滑模控制

数控机床直线同步电动机磁悬浮系统的神经网络直接自适应控制

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机械工程学报 2021年第17期57卷 236-242页

作者：蓝益鹏姚婉婷杨文康雷城沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870

针对数控机床可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统的强非线性、外部扰动不确定性的问题,设计基于RBF神经网络直接自适应控制器。通过分析磁悬浮系统的运行机理,推导运动方程及悬浮力方程,进而建立系统的状态方程;用悬浮高度的跟踪误差和... 详细信息

针对数控机床可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统的强非线性、外部扰动不确定性的问题,设计基于RBF神经网络直接自适应控制器。通过分析磁悬浮系统的运行机理,推导运动方程及悬浮力方程,进而建立系统的状态方程;用悬浮高度的跟踪误差和误差的变化量构造误差函数,设计直接自适应理想控制器并采用RBF神经网络对其进行逼近;设计自适应律来估计神经网络理想权值,对误差函数的变化率构造二次型Lyapunov函数,利用Lyapunov稳定性理论来证明系统稳定;通过Matlab对控制系统进行计算机仿真,结果表明该方法设计的控制器与自适应模糊滑模控制器和PID控制器相比,空载启动时调节时间减少了23.5%,突加负载时动态降落减少了64.7%,恢复时间减少了38.2%,具有稳态误差小,调节时间和恢复时间短,抗扰性较强的优点,能有效提高磁悬浮系统的控制性能。

关键词：数控机床直线同步电动机磁悬浮系统 RBF神经网络直接自适应控制

固体火箭发动机磁悬浮试验架系统动态性能分析

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固体火箭技术 2005年第1期28卷 72-74页

作者：王利娜赵建辉中国航天科技集团公司四院四○一所西安710025 空军工程大学工程学院西安710038

在磁悬浮系统数学模型的基础上,将磁悬浮试验架对发动机的悬浮支承等效为质量弹簧阻尼系统。计算了磁悬浮试验架的刚度、阻尼及固有频率,计算结果得到了试验的验证。表明除系统机械设计参数外,控制方式及控制器参数是影响系统动态特... 详细信息

在磁悬浮系统数学模型的基础上,将磁悬浮试验架对发动机的悬浮支承等效为质量弹簧阻尼系统。计算了磁悬浮试验架的刚度、阻尼及固有频率,计算结果得到了试验的验证。表明除系统机械设计参数外,控制方式及控制器参数是影响系统动态特性的关键因素,并通过仿真说明了控制器参数对系统动态性能的影响。为设计适合发动机试验的磁悬浮系统提供参考。

关键词：固体火箭发动机动态性能分析试验架磁悬浮系统控制器参数系统动态特性系统动态性能发动机试验数学模型阻尼系统固有频率计算结果设计参数控制方式

运动平台磁悬浮直线同步电动机驱动系统RBF-PID自学习控制的研究

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制造技术与机床 2022年第6期 113-118页

作者：彭敬淇蓝益鹏沈阳工业大学电气工程学院辽宁沈阳110870

针对运动平台磁悬浮直线同步电动机驱动系统存在的非线性、耦合性以及外部扰动的不确定性问题,提出一种RBF神经网络PID自学习控制器。首先对磁悬浮直线同步电动机的结构及其运行机理进行详细介绍;并建立磁悬浮直线同步电动机的数学模型... 详细信息

针对运动平台磁悬浮直线同步电动机驱动系统存在的非线性、耦合性以及外部扰动的不确定性问题,提出一种RBF神经网络PID自学习控制器。首先对磁悬浮直线同步电动机的结构及其运行机理进行详细介绍;并建立磁悬浮直线同步电动机的数学模型,推导出电压方程、磁链方程、水平推力方程以及水平运动方程的表达式;设计一种基于RBF神经网络的PID自学习控制器,RBF神经网络中一般采取梯度法对参数w、b、c进行整定,为能有效地缩短网络的学习时间,并减小系统的振荡,论文在RBF神经网络中引入动量因子项,通过MATLAB对控制系统进行仿真,验证RBF-PID自学习算法较PI控制器有更好的稳定性和抗扰动性。

关键词：运动平台直线电动机磁悬浮系统 RBF网络动量因子项

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磁通密度反馈在磁悬浮系统中的应用

国防科技大学学报 2008年第6期30卷 129-133页

作者：刘恒坤郝阿明常文森国防科技大学磁悬浮技术研究中心湖南长沙410073

对于磁悬浮列车的悬浮控制,如果取悬浮间隙、电磁铁速度以及电流为状态变量进行反馈控制,在实验中控制参数的稳定区间较小,不易寻找控制参数的稳定区间,而且控制参数之间的影响比较严重;采用悬浮间隙、电磁铁速度以及磁通密度作为状态... 详细信息

对于磁悬浮列车的悬浮控制,如果取悬浮间隙、电磁铁速度以及电流为状态变量进行反馈控制,在实验中控制参数的稳定区间较小,不易寻找控制参数的稳定区间,而且控制参数之间的影响比较严重;采用悬浮间隙、电磁铁速度以及磁通密度作为状态变量进行反馈控制的方法可以解决上述问题,便于实际的调试工作。仿真结果证明了第二种方法的有效性。

关键词：磁悬浮系统磁通密度反馈电流环