含PPC同步俯仰状态约束的模糊滑模自适应风力机舱悬浮控制方法

本发明涉及一种风力磁悬浮机舱稳定悬浮控制方法，尤其是应用于风力磁悬浮机舱悬浮之后暂态性能的提升以及解决桨叶侧和尾翼侧迎风面积差异导致机舱俯仰的问题，属于风力发电磁悬浮领域。

背景技术

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背景技术：

1、风力磁悬浮偏航系统结构复杂，前后侧迎风面积不同，系统参数时变，不能提供精确的系统模型，存在悬浮稳定性方面的问题，为此曲阜师范大学新能源研究所提出了风力磁悬浮偏航系统，极大提高悬浮稳定性，使机舱抗干扰性能显著提升，为风力机舱稳定偏航奠定基础。专利202010708203进行了基于自适应神经网络的控制，专利202010552436进行了同步悬浮控制的研究，但其只考虑了其中某一方面的情况，不能既保证悬浮跟踪的同时减小同步误差。风力机舱是一个参数时变的系统，无法提供精确的系统模型，控制精度提高有限，且系统动态响应速度低，不能快速应对各种变化复杂的工况环境，为此众多科研工作者先后进行了传统pid控制、基于backstepping自适应控制以及模型预测控制策略的研究，某种程度上实现了多自由度悬浮系统位置精确控制，但控制器的设计过分依赖于模型，根本无法提升跟踪性能、同步性能以及抗干扰能力，机舱偏航精度得不到提升。

技术实现思路

1、本发明目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种含ppc同步俯仰状态约束的模糊滑模自适应风力机舱悬浮控制方法，其特征在于：采用基于暂态性能提升的悬浮气隙控制器实现机舱两端悬浮和俯仰抑制；所述暂态性能提升的悬浮气隙控制器采用含ppc同步俯仰状态约束的模糊滑模自适应控制，包括含暂态信息的ppc同步俯仰控制部分、含主导项参数自适应的滑模自适应跟踪控制部分以及含同步与跟踪信息的模糊自适应补偿部分；所述的含俯仰暂态信息的ppc同步控制部分完成两侧气隙的悬浮同步，采用将同步误差的分数阶引入约束轨线，对同步误差进行误差重构，增大同步输出；所述含主导项参数自适应的滑模跟踪控制部分完成两端气隙额定工况下的跟踪控制，采用非线性函数，弱化滑模抖振；所述含同步与跟踪信息的模糊自适应补偿部分用于逼近系统存在的不确定性干扰，进一步提升系统控制精度，确保机舱稳定快速悬浮。

2、含ppc同步俯仰状态约束的模糊滑模自适应风力机舱悬浮控制方法，包括以下步骤：

3、步骤1构建考虑俯仰状态约束的风力机舱两自由度悬浮模型

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5、其中，θ为俯仰角度，μ0为真空磁导率，n为两侧悬浮绕组匝数，s为磁极面积，i1和i2分别为桨叶侧和尾翼侧励磁电流，δ1和δ2分别为桨叶侧、尾翼侧悬浮气隙，j为机舱俯仰转动惯量，m为风力机舱质量；g为重力加速度；δ为轴向悬浮气隙；fd为机舱轴向干扰；ts为机舱倾覆力矩，r为机舱旋转半径；

6、步骤2引入俯仰虚拟控制变量u，结合坐标转换矩阵以及将风力机舱两端悬浮控制模型转化为含同步信息的两端悬浮模型为：

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8、其中，u为虚拟控制变量，fd(t)为机舱轴向干扰。

9、步骤3设计含干扰触发的ppc机舱俯仰同步控制器

10、第一步，设置两侧悬浮气隙同步误差为es＝θ-0，其中：θ为机舱俯仰角度，

11、第二步，设计含俯仰暂态信息的约束轨线为：

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13、其中，kμ为收敛速度调整参数，α为指数系数，γ是引入同步误差的影响因子，μ(0)是初始时刻最大超调，μ(∞)表示允许的稳态跟踪误差，μ(t)为设计的约束轨线。

14、第三步，设计同步误差的允许工作区间为：

15、|es(t)|≤μ(t)            (3)

16、第四步，重构新型俯仰状态约束误差变量z1为：

17、

18、其中，λ(t)＝es(t)/μ(t)。

19、第五步，定义含重构误差的机舱俯仰同步滑模面为：

20、

21、其中，是一个正常数，τ＝(1/2μ)[(1/(λ(t)+1))-(1/(θ(t)-1))]，且0＜τ≤τm＝2/μ

22、第六步，设计含重构误差与抖振削弱的同步滑模面的控制律为：

23、

24、其中，β为正常数，0＜β＜1，kn，λs为正常数。

25、第七步，对式(6)进行求导：

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27、其中，

28、第八步，联立式(6)与式(7)，可得同步输出：

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30、第九步，将式(9)的同步输出代入式(2)悬浮模型中，可以进一步得到系统模型：

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32、第十步，设计桨叶侧控制器，对模型进行分析：

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34、对式(11)的模型进行归结，将归结为主导项，通过滑模进行控制。

35、将归结为不确定项，用δun表示，用模糊控制进行逼近。

36、步骤4含主导项参数自适应的滑模跟踪控制器设计

37、第一步，对式(11)的模型进行转化：

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39、第二步，对式(12)的悬浮气隙模型进行泰勒级数展开：

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41、其中，δ10，i10为机舱悬浮平衡处的气隙、电流。

42、第三步，进一步对式(13)进行归结：

43、

44、其中，为模糊输出。

45、第四步，设计含自适应参数的跟踪滑模面为：

46、

47、其中：设置桨叶侧悬浮气隙跟踪误差为e1＝δ1-δref，δ1，δref分别对应桨叶侧悬浮气隙和参考气隙，c1为正增益，s1为跟踪滑模控制面。

48、第五步，设置含自适应参数的跟踪滑模面的控制律为

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50、其中，k为非零正常数，λ1为切换项自适应增益，ρ为正常数，0＜ρ＜1。

51、第六步，对含自适应参数的跟踪滑模面求导，与式(16)进行联立可得：

52、

53、第七步，将代入式(17)，可得：

54、

55、第八步，将式(14)气隙表达式代入式(18)，可得：

56、

57、第九步，将式(19)中的i提出，可得：

58、

59、第十步，设计跟踪参数m、n自适应律为：

60、

61、其中，η1，λn为正增益，分别为m，n的估计值。

62、步骤5含同步与跟踪信息的模糊自适应补偿控制

63、第一步，对式(20)中的δun1定义在一个紧集ur上，可以描述为：

64、

65、其中，θ1是权值，是模糊基向量，ait＝a1+((i-1)/2)a1，i＝[1,2,3,4,5]，a1作为模糊输出中心值的边界基值，bt为敏感度调整系数。

66、第二步，δun1可以近似表示为：存在理想权重可以表示为：

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68、第三步，θun1可以被描述为：

69、

70、其中，εf是最小逼近误差，|εf|≤lm，lm为正常数。

71、第四步，设计含同步与跟踪信息的模糊自适应补偿自适应律为：

72、

73、其中，η2为正增益，为δ1的近似估计。

74、本发明的有益效果是：

75、1)针对风力机舱悬浮系统运行工况恶劣、俯仰力矩时变，多执行器控制结构差异，极易破坏机舱两端悬浮同步和悬浮稳定性问题，建立风力机舱的两自由度悬浮模型，分别采用模糊滑模自适应控制以及ppc同步控制策略，解决了悬浮跟踪和俯仰抑制问题。

76、2)针对控制系统多个子控制部分相互干扰问题，首次将两自由度模型转换为含有虚拟变量俯仰角度的两端动态模型，通过将同步信息引入跟踪控制的参数自适应律中，有效协调控制器总输出。

77、3)设计了基于虚拟变量的ppc控制策略，同时考虑到传统的ppc控制策略极易发生约束越界，将同步误差的分数阶引入约束轨线，进一步提升转换误差的响应速度，提升系统同步性能。

78、4)设计了基于滑模自适应的主悬浮控制策略，采用tanh(2πs)ρ替代传统的sign(s)，减小系统抖振，同时利用模糊控制的强逼近能力在线获取不确定项，进一步消除系统抖振。