專利名稱：一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速控制方法，適用于磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速的高精度控制，屬于航天控制的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
磁懸浮飛輪因具有無摩擦特點(diǎn)，使其易于實(shí)現(xiàn)高精度和長壽命等突出優(yōu)點(diǎn)而成為空間站、空間機(jī)動平臺和敏捷機(jī)動衛(wèi)星等航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要發(fā)展方向。要實(shí)現(xiàn)磁懸浮飛輪的高精度轉(zhuǎn)速控制，高精度的轉(zhuǎn)速反饋與轉(zhuǎn)速控制是其必要條件。
目前，測速主要有兩種方法hall位置傳感器與光電碼盤位置傳感器。hall位置傳感器進(jìn)行測速的問題是其信號輸出頻率太低，轉(zhuǎn)速檢測精度很差，因此，進(jìn)行轉(zhuǎn)速高精度控制一般不采用hall位置傳感器。采用光電碼盤進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測存在的問題是采用光電碼盤進(jìn)行測速時，由于光電碼盤輸出信號的頻率很高，容易受到強(qiáng)電干擾，另外，當(dāng)磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子振動時，轉(zhuǎn)速檢測值也出現(xiàn)偏差。一般進(jìn)行光電碼盤M/T法(M/T法，是指測速過程中，不僅測取的測速脈沖m1和高頻時鐘脈沖m2隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同而變化，而且測量時間T也是變化的，它的時鐘等于光電脈沖發(fā)生器m1各脈沖信號周期之和)測速不進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)速檢測值會有一定偏差，因此，要對轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波處理，一般的濾波方法不考慮噪聲或干擾信號的性質(zhì)濾波效果較差。
要實(shí)現(xiàn)磁懸浮飛輪的高精度控制既要保證控制程序的可靠運(yùn)行又要保證控制精度。在磁懸浮飛輪運(yùn)行過程中其高速與低速電機(jī)參數(shù)存在攝動，當(dāng)磁懸浮飛輪制動運(yùn)行時其控制系統(tǒng)模型與電動運(yùn)行時的系統(tǒng)模型不同。采用一般的PID控制轉(zhuǎn)速精度不能達(dá)到要求，采用復(fù)雜的控制算法，可靠性卻不能保證。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有方法對磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速檢測精度與控制性能的不足，提出一種高精度的磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速控制方法，在磁懸浮飛輪的全轉(zhuǎn)速范圍都有較高的轉(zhuǎn)速控制精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速控制方法，根據(jù)給定磁懸浮飛輪速度指令，控制磁懸浮飛輪的轉(zhuǎn)速跟蹤給定轉(zhuǎn)速值，實(shí)現(xiàn)步驟如下 (1)檢測飛輪轉(zhuǎn)速值 采用光電碼盤利用M/T法進(jìn)行測速，在測速程序中對光電碼盤信號進(jìn)行判斷，當(dāng)光電碼盤的高電平與低電平保持一定時間后觸發(fā)計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，以減少高頻干擾信號的影響，最后根據(jù)M/T法檢測的光電碼盤脈沖數(shù)與高頻時鐘數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即得到當(dāng)前時刻磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速值n(k)＝60f*m1/[P*(m2+m3)]，其中，f是高頻時鐘脈沖的頻率，P是碼盤一周發(fā)出的脈沖數(shù)，在規(guī)定的時間Tc(一般是采樣周期)內(nèi)，分別計取光電碼盤的脈沖個數(shù)m1和高頻時鐘的脈沖個數(shù)m2，m3是Tc結(jié)束后到碼盤下一個脈沖上升沿的時間間隔； (2)對所述當(dāng)前時刻磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速值進(jìn)行模糊自適應(yīng)kalman濾波 首先根據(jù)磁懸浮飛輪電機(jī)模型，取狀態(tài)向量x1(k)＝n(k)，x2(k)＝x1(k+1)-A*u(k)，其中，x1(k)，x2(k)為系統(tǒng)狀態(tài)向量，n(k)為步驟(1)得到的當(dāng)前時刻磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速值，A為根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算得到的控制系數(shù)，u(k)為系統(tǒng)輸出控制量。
則系統(tǒng)方程可寫為如下的狀態(tài)空間方程式 ，式中，D、F、A、B、G、H、C均為常數(shù)矩陣，D、F、A、B為將系統(tǒng)方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程后得到的控制系統(tǒng)參數(shù)的中間變量值，G為系統(tǒng)矩陣，H為輸入矩陣，C為輸出矩陣； C＝[10]，其中，J為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)動慣量，ke為反電動勢系數(shù)，B為阻尼系數(shù)，u為電源輸出電壓，R為電機(jī)繞組電阻，L為電機(jī)繞組電感，d1，d2為系統(tǒng)特征方程兩根；e為自然對數(shù)底數(shù)，T為采樣時間。
kalman濾波器的狀態(tài)估計方程

式中，

為狀態(tài)估計值；

為狀態(tài)預(yù)報值；K(k)為濾波增益矩陣；kalman濾波的濾波增益矩陣K(k)可按下式計算K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT*(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1，P(k/k-1)＝G*P(k-1)*GT+H*Q*HT，P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1) 其中，

c(k)＝η(k)/τ(k)，η(k)＝E(k)-ε*r-C*G*CT，τ(k)＝C*G*P(k)*GT*CT，


式中，δ(k)為衰退因子矩陣，P(k/k-1)為一步預(yù)測均方誤差，C為輸出矩陣，P(k)為估計均方誤差，r(k)為量測噪聲方差陣，G為系統(tǒng)矩陣，H為輸入矩陣，Q為系統(tǒng)噪聲方差陣，P(k)為估計均方誤差，K(k)為濾波增益矩陣，衰退因子矩陣δ(k)由柔化因子ε和遺忘因子ρ確定，e(k)為實(shí)測轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速偏差，e0初始時刻轉(zhuǎn)速偏差，ε通過模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)確定，c(k)為衰退量，E(k)為誤差矩陣，η(k)為當(dāng)前時刻誤差平方量、τ(k)為當(dāng)前時刻估計偏差方差量； (3)根據(jù)濾波后的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制 磁懸浮飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制通過外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)的雙環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)都采用變積分PID控制方法實(shí)現(xiàn)，其中轉(zhuǎn)速環(huán)根據(jù)經(jīng)濾波后的轉(zhuǎn)速值與轉(zhuǎn)速參考值進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)控制，轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)根據(jù)轉(zhuǎn)速參考與轉(zhuǎn)速偏差絕對值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，通過轉(zhuǎn)速環(huán)控制輸出電流參考值，用于磁懸浮飛輪電機(jī)繞組電流控制；電流環(huán)控制程序根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的電流參考值與電流反饋值進(jìn)行磁懸浮飛輪電機(jī)繞組電流控制，電流環(huán)控制參數(shù)要根據(jù)磁懸浮飛輪運(yùn)行狀態(tài)、參考轉(zhuǎn)速值與電流偏差絕對值實(shí)時調(diào)節(jié)，電流環(huán)輸出控制量直接用于驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。
本發(fā)明方法中模糊自適應(yīng)kalman濾波參數(shù)ε通過模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)確定，確定的方法如下 模糊控制器采用一階T-S模型，令控制器的輸入為ζ＝e(k)2，隸屬度函數(shù)為 其中t1，t2，t3，t4為輸入?yún)?shù)論域中的點(diǎn)，模糊控制規(guī) 則如下
本發(fā)明的原理是在磁懸浮飛輪控制過程中由于控制系統(tǒng)存在確定性干擾與不確定性干擾，對于擾動的頻率、擾動的大小、擾動的產(chǎn)生時刻都不可以預(yù)知。但這些擾動對控制系統(tǒng)的性能有較大的影響。如果要獲得較好的控制效果就必須要對轉(zhuǎn)速反饋值進(jìn)行濾波處理。當(dāng)磁懸浮飛輪工作在不同轉(zhuǎn)速、不同運(yùn)行狀態(tài)(電動、能耗制動、反接制動)時，飛輪的轉(zhuǎn)速不同，電機(jī)繞組的電流不同，產(chǎn)生的擾動大小與頻率也不相同。因此濾波方法要能夠根據(jù)系統(tǒng)噪聲自適應(yīng)調(diào)節(jié)濾波系數(shù)。本發(fā)明采用模糊自適應(yīng)kalman濾波方法，在濾波過程中如果對系統(tǒng)模型和量測模型的先驗(yàn)知識了解較少，就會降低kalman濾波的性能，甚至?xí)ぐl(fā)濾波器發(fā)散。模糊自適應(yīng)kalman濾波方法應(yīng)用衰退因子矩陣δ(k)增加預(yù)測狀態(tài)向量的不一致性，不同衰退記憶算法的主要差別在于衰退矩陣的計算。當(dāng)δ(k)＜＝1時濾波器處于穩(wěn)定處理狀態(tài)；當(dāng)δ(k)＝1時，退化為一般的kalman濾波方法，當(dāng)δ(k)＞＝1時濾波器趨于不穩(wěn)定。采用常值衰退因子的缺陷在于，在濾波過程中由于以前數(shù)據(jù)的影響越來越小，濾波器的精度就會下降。因此最佳的方法就是采用時變的衰退因子來提高濾波的精度與動態(tài)性能。本發(fā)明通過檢測實(shí)測轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速的偏差來調(diào)節(jié)衰退因子δ(k)的大小，從而調(diào)整濾波增益矩陣K(k)來達(dá)到較好的濾波效果。kalman濾波的濾波增益矩陣K(k)可按下式計算 K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT*(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1，P(k/k-1)＝G*P(k-1)*GT+H*Q*HT，P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1)其中，

c(k)＝η(k)/τ(k)，η(k)＝E(k)-ε*r-C*G*CT，τ(k)＝C*G*P(k)*GT*CT，


式中，δ(k)為衰退因子矩陣，P(k/k-1)為一步預(yù)測均方誤差，C為輸出矩陣，P(k)為估計均方誤差，r(k)為量測噪聲方差陣，G為系統(tǒng)矩陣，H為輸入矩陣，Q為系統(tǒng)噪聲方差陣，P(k)為估計均方誤差，K(k)為濾波增益矩陣，衰退因子矩陣δ(k)由柔化因子ε和遺忘因子ρ確定，e(k)為實(shí)測轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速偏差，e0初始時刻轉(zhuǎn)速偏差，ε通過模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)確定，c(k)為衰退量，E(k)為誤差矩陣，η(k)為當(dāng)前時刻誤差平方量、τ(k)為當(dāng)前時刻估計偏差方差量；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，ρ取值為0.95，ε通過模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)確定； 模糊自適應(yīng)kalman濾波參數(shù)ε通過模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)確定，確定的方法如下 由于零階模型需要更復(fù)雜的隸屬度函數(shù)和規(guī)則庫，因此本控制系統(tǒng)的模糊控制器采用一階T-S模型，由于轉(zhuǎn)速誤差可以直接反映轉(zhuǎn)速的控制精度，令控制器的輸入為ζ＝e(k)2，選取簡單有效的梯形隸屬度函數(shù)，令隸屬度函數(shù)為 其中t1，t2，t3，t4為輸入?yún)?shù)論域中的點(diǎn)，模糊控制規(guī)則如下
在磁懸浮飛輪控制過程中，由于在不同運(yùn)行狀態(tài)和不同轉(zhuǎn)速值時系統(tǒng)控制模型存在攝動，要實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速控制必須要根據(jù)磁懸浮飛輪運(yùn)行狀態(tài)、參考轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)速反饋值、轉(zhuǎn)速偏差值與電流偏差值實(shí)時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)控制參數(shù)與最大占空比給定值，才能實(shí)現(xiàn)磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速的高精度控制。
本發(fā)明的方案與現(xiàn)有方案相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于 (1)傳統(tǒng)的M/T轉(zhuǎn)速檢測方法不對轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行預(yù)先處理，本發(fā)明在測速程序中對光電碼盤信號進(jìn)行判斷，當(dāng)光電碼盤的高電平與低電平保持一定時間后觸發(fā)計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，以減少高頻干擾信號的影響。
(2)傳統(tǒng)的控制方法直接利用轉(zhuǎn)速值，當(dāng)轉(zhuǎn)速存在波動時控制性能較差，本發(fā)明采用模糊自適應(yīng)kalman濾波方法首先對轉(zhuǎn)速值進(jìn)行自適應(yīng)濾波，濾除干擾信號再進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。
(3)傳統(tǒng)的控制方法直接利用固定的控制參數(shù)，由于磁懸浮飛輪高低速參數(shù)存在攝動，電動制動系統(tǒng)模型不同因此在全轉(zhuǎn)速范圍控制性能較差，本發(fā)明采用參數(shù)規(guī)劃的方法，針對磁懸浮飛輪的運(yùn)行狀態(tài)、參考轉(zhuǎn)速、參考電流、電流偏差值自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)。



圖1為本發(fā)明的流程圖； 圖2為本發(fā)明的模糊自適應(yīng)kalman濾波算法流程圖； 圖3為本發(fā)明的模糊隸屬度函數(shù)； 圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方案 如圖1所示，在具體實(shí)施過程中，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下 首先，采用模糊自適應(yīng)kalman濾波方法對磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速值進(jìn)行實(shí)時濾波。轉(zhuǎn)速環(huán)控制程序根據(jù)參考轉(zhuǎn)速值與經(jīng)模糊自適應(yīng)kalman濾波后的轉(zhuǎn)速反饋值自適應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)，轉(zhuǎn)速環(huán)輸出電流環(huán)參考電流。電流環(huán)控制程序根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋值確定電流環(huán)最大占空比，并根據(jù)轉(zhuǎn)速參考值、電流偏差值自適應(yīng)調(diào)節(jié)電流環(huán)參數(shù)并輸出電流環(huán)控制量。具體包括以下步驟 (1)計算磁懸浮飛輪實(shí)時轉(zhuǎn)速值 磁懸浮飛輪采用光電碼盤進(jìn)行測速，測速方法為M/T法，其中M/T測速方法中定時器的選取要根據(jù)系統(tǒng)的控制精度與動態(tài)響應(yīng)要求確定；系統(tǒng)控制精度要求越高，定時器設(shè)置越長，反饋轉(zhuǎn)速精度就越高，但控制的實(shí)時性就較差；定時器設(shè)置的越短，轉(zhuǎn)速反饋的實(shí)時更新性就越快，但轉(zhuǎn)速反饋的精度就會越差，經(jīng)折中考慮選取測速定時器為0.6s，轉(zhuǎn)速環(huán)的控制頻率為5KHz，由于光電碼盤信號的頻率很高，易受干擾，在轉(zhuǎn)速較低時，光電碼盤計數(shù)誤差對控制精度的影響更大，因此在測速程序中對光電碼盤信號進(jìn)行判斷，當(dāng)光電碼盤的高電平與低電平保持一定時間后觸發(fā)計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，以減少高頻干擾信號的影響，最后根據(jù)M/T法檢測的光電碼盤脈沖數(shù)與高頻時鐘數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即得到當(dāng)前時刻磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速值。
(2)根據(jù)M/T方法檢測的當(dāng)前時刻磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速反饋值，對轉(zhuǎn)速反饋值進(jìn)行濾波以減少干擾的影響，濾波按一下步驟進(jìn)行 A、建立磁懸浮飛輪運(yùn)動方程 首先，建立磁懸浮飛輪電機(jī)模型 其中，ω磁懸浮飛輪角速度，J為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)動慣量，ke為反電動勢系數(shù)，B為阻尼系數(shù)，u為電源輸出電壓，R為電機(jī)繞組電阻，L為電機(jī)繞組電感，可得飛輪角速度與電源輸出電壓的傳函為 進(jìn)一步可推出飛輪轉(zhuǎn)速與電源輸出電壓的系統(tǒng)傳函 令 對系統(tǒng)傳函進(jìn)行z變換得 其中， T為采樣周期。取狀態(tài)向量x1(k)＝n(k)，x2(k)＝x1(k+1)-A*u(k)，其中，x1(k)，x2(k)為系統(tǒng)狀態(tài)向量，n(k)為步驟(1)得到的當(dāng)前時刻磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速值，A為根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算得到的控制系數(shù)，u(k)為系統(tǒng)輸出控制量。
則系統(tǒng)方程可寫為如下的狀態(tài)空間方程式 式中，D、F、A、B、G、H、C均為常數(shù)矩陣，D、F、A、B為將系統(tǒng)方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程后得到的控制系統(tǒng)參數(shù)的中間變量值，G為系統(tǒng)矩陣，H為輸入矩陣，C為輸出矩陣。
C＝[1 0]，其中，J為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)動慣量，ke為反電動勢系數(shù)，B為阻尼系數(shù)，u為電源輸出電壓，R為電機(jī)繞組電阻，L為電機(jī)繞組電感，d1，d2為系統(tǒng)特征方程兩根；e為自然對數(shù)底數(shù)，T為采樣時間。
B、對磁懸浮轉(zhuǎn)速值進(jìn)行模糊自適應(yīng)kalman濾波 采用模糊自適應(yīng)kalman濾波方法對實(shí)測轉(zhuǎn)速值進(jìn)行實(shí)時濾波，以減少轉(zhuǎn)速波動，kalman濾波器的狀態(tài)估計方程

式中，

為狀態(tài)估計值；

為狀態(tài)預(yù)報值；K(k)為濾波增益矩陣；kalman濾波的濾波增益矩陣K(k)可按下式計算K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT*(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1，P(k/k-1)＝G*P(k-1)*GT+H*Q*HT，P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1) 其中，

c(k)＝η(k)/τ(k)，η(k)＝E(k)-ε*r-C*G*CT，τ(k)＝C*G*P(k)*GT*CT，


式中，δ(k)為衰退因子矩陣，P(k/k-1)為一步預(yù)測均方誤差，C為輸出矩陣，P(k)為估計均方誤差，r(k)為量測噪聲方差陣，G為系統(tǒng)矩陣，H為輸入矩陣，Q為系統(tǒng)噪聲方差陣，P(k)為估計均方誤差，K(k)為濾波增益矩陣，衰退因子矩陣δ(k)由柔化因子ε和遺忘因子ρ確定，e(k)為實(shí)測轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速偏差，e0初始時刻轉(zhuǎn)速偏差，c(k)為衰退量，E(k)為誤差矩陣，η(k)為當(dāng)前時刻誤差平方量、τ(k)為當(dāng)前時刻估計偏差方差量；ε通過模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)確定，確定的方法如下 模糊控制器采用一階T-S模型，令控制器的輸入為ζ＝e(k)2，隸屬度函數(shù)為 其中t1，t2，t3，t4為輸入?yún)?shù)論域中的點(diǎn)，模糊控制規(guī) 則如下
(3)根據(jù)濾波后的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制 磁懸浮飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制通過外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)的雙環(huán)控制方法，轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)都采用變積分PID控制方法實(shí)現(xiàn)，其中轉(zhuǎn)速環(huán)根據(jù)經(jīng)濾波后的轉(zhuǎn)速值與轉(zhuǎn)速參考值進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)控制，轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)根據(jù)轉(zhuǎn)速參考與轉(zhuǎn)速偏差絕對值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，控制程序首先判斷轉(zhuǎn)速參考值的范圍，當(dāng)轉(zhuǎn)速參考值不同時控制參數(shù)有所不同，當(dāng)轉(zhuǎn)速參考值較大時，轉(zhuǎn)速環(huán)的比例系數(shù)較大，反之較小。進(jìn)一步判斷轉(zhuǎn)速偏差絕對值的大小，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差絕對值很大時轉(zhuǎn)速環(huán)比例系數(shù)較大，積分系數(shù)為零或?yàn)楹苄?，若偏差絕對值大時有較大的積分系數(shù)會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)較大，調(diào)節(jié)時間較長；隨轉(zhuǎn)速偏差絕對值的減小將比例系數(shù)減小，積分系數(shù)增大。轉(zhuǎn)速環(huán)PID算法采用比例積分算法，其控制器形式為

本發(fā)明設(shè)定五個不同的轉(zhuǎn)速誤差絕對值范圍，分別為e_speed(轉(zhuǎn)速誤差絕對值)∈{＞200∪[200100]∪[10050]∪[501]∪＜1}。當(dāng)轉(zhuǎn)速誤差絕對值處于最大的范圍內(nèi)(e_speed＞200)時設(shè)定kp＝305，ki＝0.00001；當(dāng)轉(zhuǎn)速誤差絕對值處于最小的范圍內(nèi)(e_speed＜1)時設(shè)定kp＝95，ki＝0.01；當(dāng)轉(zhuǎn)速誤差絕對值處于兩個極限誤差范圍之間時，kp，ki的取值在邊界取值之間。
轉(zhuǎn)速環(huán)控制輸出電流參考值，用于磁懸浮飛輪電機(jī)繞組電流控制；電流環(huán)控制程序根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的電流參考值與電流反饋值進(jìn)行磁懸浮飛輪電機(jī)繞組電流控制，電流環(huán)控制參數(shù)要根據(jù)磁懸浮飛輪運(yùn)行狀態(tài)、參考轉(zhuǎn)速值與電流偏差實(shí)時調(diào)節(jié)，電流環(huán)輸出控制量直接用于驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。控制程序首先判斷轉(zhuǎn)速參考值的范圍，當(dāng)轉(zhuǎn)速參考值不同時控制參數(shù)有所不同，當(dāng)轉(zhuǎn)速參考值較大時，電流環(huán)的比例系數(shù)較大，反之較小。進(jìn)一步判斷電流偏差絕對值的大小，當(dāng)電流偏差絕對值很大時電流環(huán)比例系數(shù)較大，積分系數(shù)為零或?yàn)楹苄?，若偏差絕對值大時有較大的積分系數(shù)會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)較大，調(diào)節(jié)時間較長；隨電流偏差絕對值的減小將比例系數(shù)減小，積分系數(shù)增大。電流環(huán)PID算法采用比例積分算法，其控制器形式為

在DSP中采用積分分離PI實(shí)現(xiàn)方式。本發(fā)明設(shè)定五個不同的電流誤差絕對值范圍分別為e_cur(電流誤差絕對值)∈{＞1∪
∪
∪
∪＜0.01}當(dāng)電流誤差絕對值處于最大的范圍內(nèi)(e_speed＞1)時設(shè)定kp＝1200，ki＝0.01；當(dāng)電流誤差絕對值處于最小的范圍內(nèi)(e_speed＜0.01)時設(shè)定kp＝20，ki＝10；當(dāng)電流誤差絕對值處于兩個極限誤差范圍之間時，kp，ki的取值在邊界取值之間。
為防止運(yùn)行過程中的過流，在磁懸浮飛輪運(yùn)行過程中對電流環(huán)的最大占空比進(jìn)行限制，電流環(huán)的最大占空比根據(jù)飛輪運(yùn)行狀態(tài)與轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時最大占空比較小，隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸提高最大占空比。
為滿足給定不同參考轉(zhuǎn)速時，控制系統(tǒng)都能以較高的動態(tài)響應(yīng)速度，較精確的達(dá)到參考轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制參數(shù)要根據(jù)參考轉(zhuǎn)速值與電流偏差絕對值實(shí)時調(diào)節(jié)；電流環(huán)控制程序根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的參考電流值與電流反饋值進(jìn)行電流環(huán)PID運(yùn)算，并輸出電流環(huán)控制量。
如圖2所示為模糊自適應(yīng)kalman濾波的算法流程圖。首先，根據(jù)系統(tǒng)的初始狀態(tài)確定狀態(tài)向量與均方誤差的初始值，本發(fā)明實(shí)施例中選取的狀態(tài)初值

一步轉(zhuǎn)移陣

量測陣

量測噪聲方差陣r(k)＝10000，系統(tǒng)噪聲方差陣

根據(jù)圖2所示流程圖計算各中間變量。由公式K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1計算濾波增益K(k)；根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋值與轉(zhuǎn)速估計值計算估計偏差e(k)；根據(jù)狀態(tài)預(yù)報值

與濾波增益矩陣K(k)由公式

計算狀態(tài)估計

由濾波增益矩陣K(k)與一步預(yù)測均方誤差P(k/k-1)根據(jù)公式P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1)計算均方誤差P(k)；根據(jù)估計偏差e(k)采用模糊控制的方法調(diào)整參數(shù)ε，并通過ε值調(diào)整衰退因子δ(k)，由系統(tǒng)方程

得到狀態(tài)的一步預(yù)測值

由P(k+1/k)＝G*P(k)*GT+H*Q*HT得到一步預(yù)測均方誤差P(k+1/k)，并通過狀態(tài)估計方程

得到實(shí)際轉(zhuǎn)速的濾波值。
如圖3所示為本發(fā)明模糊參數(shù)整定隸屬度函數(shù)。模糊隸屬度函數(shù)由控制磁懸浮飛輪經(jīng)驗(yàn)得到，在本發(fā)明中采用模糊控制器采用一階T-S模型，令控制器的輸入為ζ＝e(k)2，隸屬度函數(shù)取為梯形函數(shù)，表達(dá)式為

其中t1，t2，t3，t4為輸入?yún)?shù)論域T中的點(diǎn)，其中模糊論域?yàn)門∈
，有3條模糊控制規(guī)則如下
如圖4所示為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)速的高精度采用轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)控制。轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)控制采用PID控制方法，轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)根據(jù)轉(zhuǎn)速參考值與轉(zhuǎn)速偏差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)速參考值較大時給定的轉(zhuǎn)速環(huán)比例系數(shù)較大，積分系數(shù)較小以減少系統(tǒng)超調(diào)，同樣當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差絕對值值較大時比例系數(shù)較大，積分系數(shù)較小；當(dāng)轉(zhuǎn)速參考值與轉(zhuǎn)速偏差絕對值值較小時，比例系數(shù)較小，積分系數(shù)較大以提高控制精度。轉(zhuǎn)速環(huán)輸出電流參考值，電流環(huán)根據(jù)電流參考值與電流反饋值輸出電流環(huán)控制量，以進(jìn)行電流環(huán)控制。
電流環(huán)采用PID控制方法，為滿足給定不同參考轉(zhuǎn)速時，控制系統(tǒng)都能以較高的動態(tài)響應(yīng)速度，較精確的達(dá)到參考轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制參數(shù)要根據(jù)磁懸浮飛輪運(yùn)行狀態(tài)、參考轉(zhuǎn)速值與電流偏差絕對值實(shí)時調(diào)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)速參考值較大時給定的電流環(huán)比例系數(shù)較大，積分系數(shù)較小以減少系統(tǒng)超調(diào)，同樣當(dāng)電流偏差絕對值值較大時比例系數(shù)較大，積分系數(shù)較?。划?dāng)轉(zhuǎn)速參考值與電流偏差絕對值值較小時，比例系數(shù)較小，積分系數(shù)較大以提高控制精度。通過電流環(huán)PID控制輸出電流環(huán)控制量，驅(qū)動磁懸浮飛輪電機(jī)運(yùn)行。
為防止運(yùn)行過程中的過流，在磁懸浮飛輪運(yùn)行過程中對電流環(huán)的最大占空比進(jìn)行限制，電流環(huán)的最大占空比根據(jù)飛輪運(yùn)行狀態(tài)與轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時最大占空比較小，隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸提高最大占空比。
本發(fā)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下
(1)檢測飛輪轉(zhuǎn)速值
采用光電碼盤利用M/T法進(jìn)行測速，在測速程序中對光電碼盤信號進(jìn)行判斷，當(dāng)光電碼盤的高電平與低電平保持一定時間后觸發(fā)計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，以減少高頻干擾信號的影響，最后根據(jù)M/T法檢測的光電碼盤脈沖數(shù)與高頻時鐘數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即得到當(dāng)前時刻磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速值n(k)＝60f*m1/[P*(m2+m3)]，其中，f是高頻時鐘脈沖的頻率，P是碼盤一周發(fā)出的脈沖數(shù)，在規(guī)定的時間Tc內(nèi)，分別計取光電碼盤的脈沖個數(shù)m1和高頻時鐘的脈沖個數(shù)m2，m3是Tc結(jié)束后到碼盤下一個脈沖上升沿的時間間隔；
(2)對所述當(dāng)前時刻磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速值進(jìn)行模糊自適應(yīng)kalman濾波
首先根據(jù)磁懸浮飛輪電機(jī)模型，取狀態(tài)向量x1(k)＝n(k)，x2(k)＝x1(k+1)-Au(k)，其中，x1(k)，x2(k)為系統(tǒng)狀態(tài)向量，n(k)為步驟(1)得到的當(dāng)前時刻磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速值，A為根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算得到的控制系數(shù)，u(k)為系統(tǒng)輸出控制量。則系統(tǒng)方程可寫為如下的狀態(tài)空間方程式
式中，D、F、A、B、G、H、C均為常數(shù)矩陣，D、F、A、B為將系統(tǒng)方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程后得到的控制系統(tǒng)參數(shù)的中間變量值，G為系統(tǒng)矩陣，H為輸入矩陣，C為輸出矩陣；
C＝[10]，其中，J為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)動慣量，ke為反電動勢系數(shù)，B為阻尼系數(shù)，u為電源輸出電壓，R為電機(jī)繞組電阻，L為電機(jī)繞組電感，d1，d2為系統(tǒng)特征方程兩根；e為自然對數(shù)底數(shù)，T為采樣時間；
kalman濾波器的狀態(tài)估計方程
式中，
為狀態(tài)估計值；
為狀態(tài)預(yù)報值；K(k)為濾波增益矩陣；kalman濾波的濾波增益矩陣K(k)可按下式計算K(k)＝δ(k)*P(k/k-1)*CT*(C*P(k/k-1)*CT+r(k))-1，P(k/k-1)＝G*P(k-1)*GT+H*Q*HT，P(k)＝(I-K(k)*C)*P(k/k-1)其中，
c(k)＝η(k)/τ(k)，η(k)＝E(k)-ε*r-C*G*CT，τ(k)＝C*G*P(k)*GT*CT，
式中，δ(k)為衰退因子矩陣，P(k/k-1)為一步預(yù)測均方誤差，C為輸出矩陣，P(k)為估計均方誤差，r(k)為量測噪聲方差陣，G為系統(tǒng)矩陣，H為輸入矩陣，Q為系統(tǒng)噪聲方差陣，P(k)為估計均方誤差，K(k)為濾波增益矩陣，衰退因子矩陣δ(k)由柔化因子ε和遺忘因子ρ確定，e(k)為實(shí)測轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速偏差，e0初始時刻轉(zhuǎn)速偏差，ε通過模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)確定，c(k)為衰退量，E(k)為誤差矩陣，η(k)為當(dāng)前時刻誤差平方量、τ(k)為當(dāng)前時刻估計偏差方差量；
(3)根據(jù)濾波后的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制
磁懸浮飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制通過外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)的雙環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)都采用變積分PID控制方法實(shí)現(xiàn)，其中轉(zhuǎn)速環(huán)根據(jù)經(jīng)濾波后的轉(zhuǎn)速值與轉(zhuǎn)速參考值進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)控制，轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)根據(jù)轉(zhuǎn)速參考與轉(zhuǎn)速偏差絕對值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)控制輸出電流參考值，用于磁懸浮飛輪電機(jī)繞組電流控制；電流環(huán)控制程序根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的電流參考值與電流反饋值進(jìn)行磁懸浮飛輪電機(jī)繞組電流控制，電流環(huán)控制參數(shù)要根據(jù)磁懸浮飛輪運(yùn)行狀態(tài)、參考轉(zhuǎn)速值與電流偏差絕對值實(shí)時調(diào)節(jié)，電流環(huán)輸出控制量直接用于驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于步驟(1)所述模糊自適應(yīng)kalman濾波參數(shù)ε通過模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)確定，確定的方法如下
模糊控制器采用一階T-S模型，令控制器的輸入為ζ＝e(k)2，隸屬度函數(shù)為
其中t1，t2，t3，t4為輸入?yún)?shù)論域中的點(diǎn)，模糊控制規(guī)則如下
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速控制方法。根據(jù)磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速反饋值，對轉(zhuǎn)速反饋值進(jìn)行模糊自適應(yīng)kalman濾波，由轉(zhuǎn)速參考值與經(jīng)濾波后的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速環(huán)控制，轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)根據(jù)轉(zhuǎn)速參考值與轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)輸出電流參考值；由電流參考值與電流反饋值進(jìn)行電流環(huán)控制，最終通過調(diào)節(jié)電機(jī)繞組電流值實(shí)現(xiàn)磁懸浮飛輪全轉(zhuǎn)速范圍的轉(zhuǎn)速高精度控制。本發(fā)明屬于航天控制技術(shù)領(lǐng)域，也可用于其它直流無刷電機(jī)高精度控制的應(yīng)用。
文檔編號H02N15/00GK101800505SQ201010123240
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者房建成, 周新秀, 劉剛, 張然, 王志強(qiáng), 張聰 申請人:北京航空航天大學(xué)