一种起动-发电系统持续驻留时间下的模糊切换自抗扰控制方法技术方案

本发明专利技术属于起动

【技术实现步骤摘要】
一种起动
‑
发电系统持续驻留时间下的模糊切换自抗扰控制方法


[0001]本专利技术属于起动
‑
发电系统控制
，涉及一种起动
‑
发电系统持续驻留时间下的模糊切换自抗扰控制方法。

技术介绍

[0002]起动
‑
发电系统被广泛应用于多电航空发动机、新能源汽车等领域，在飞机和电动汽车的工作过程中起着至关重要的作用。以多电航空发动机为例，为防止在转子零转速状态下喷油
‑
点火烧伤燃烧室，需要一个起动电机拖动航空发动机的压气机升速至点火转速。此外，当发动机达到慢车转速后，发电机提取轴上功率，由发动机转子拖动，为机载用电设备供电，保障飞机电能的充足。由于起动
‑
发电机在起动过程和发电过程中负载会发生切换，起动
‑
发电系统具有多模态和强非线性的特点，可被视作一类切换非线性系统。因此，在针对起动
‑
发电系统的控制研究中，传统的控制器设计方法具有一定的保守性。切换系统的控制性能不仅取决于每个子系统的性能，同时受到切换过程的严重影响。在切换系统的控制研究中，切换过程的稳定性以及干扰抑制能力是两个重点研究内容。自抗扰控制器作为一类具有主动抑制扰动能力的鲁棒控制器，被广泛应用于诸多噪声频繁的控制场合。自抗扰控制器的核心思想在将系统扰动扩张成为新的系统状态，同时设计一类扰动观测器，并在反馈控制律中进行系统扰动的主动补偿。相较于传统的鲁棒控制器，自抗扰控制器具有模型依赖性小，适用性强的特点。T
>‑
S模糊方法可以实现非线性系统的线性化。通过合理定义模糊集合并设计模糊规则，T
‑
S模糊方法是针对复杂系统分析以及提升控制器设计有效性的重点辅助手段。针对起动
‑
发电系统这类典型的切换非线性系统，在考虑切换特性的基础上，研究其模糊切换自抗扰控制器的设计对于保证起动
‑
发电系统的鲁棒性具有重要意义。
[0003]现有的起动
‑
发电系统控制分析大多关注于系统对于扰动的抑制能力，而忽略了负载切换过程对系统性能的影响(X.Lang,T.Yang,G.Bai,S.Bozhko and P.Wheeler,"Active Disturbance Rejection Control of DC
‑
Bus Voltages Within aHigh
‑
Speed Aircraft Electric Starter/Generator System,"in IEEE Transactions on Transportation Electrification,vol.8,no.4,pp.4229
‑
4241,Dec.2022,doi:10.1109/TTE.2022.3164351.)，所设计的扰动抑制控制器具有保守性。此外，切换系统的鲁棒控制研究结果大部分考虑的是系统输出对于扰动的抑制能力，如通过确立状态和扰动之间的范数联系，得到系统具有H
∞
性能(L.Long and J.Zhao,"H∞Control of Switched Nonlinear Systems in p
‑
Normal Form Using Multiple Lyapunov Functions,"in IEEE Transactions on Automatic Control,vol.57,no.5,pp.1285
‑
1291,May 2012,doi:10.1109/TAC.2012.2191835.)或者L
∞
性能(M.Naghnaeian and P.G.Voulgaris,"Characterization and Optimization of L∞Gains of Linear Switched Systems,"in IEEE Transactions on Automatic Control,vol.61,no.8,pp.2203
‑
2218,Aug.2016,doi:
10.1109/TAC.2015.2494369.)等。然而在实际工程应用中，仅仅确保状态受扰动的影响程度远远不够系统对于鲁棒性的要求，一个具有主动抑制扰动能力的系统在实际工程中会具有更强的鲁棒性以及更快的响应速度。现存的结果几乎没有针对起动
‑
发电系统的切换分析和模糊切换自抗扰控制研究内容，而如何保证起动
‑
发电系统在负载切换情况下的主动抑制扰动能力则是模糊切换自抗扰控制的优势所在，同样也是本专利技术所关心的问题。

技术实现思路

[0004]为保证起动
‑
发电系统在负载切换条件下的主动抑制扰动能力，提升系统的鲁棒性，本专利技术提出一种起动
‑
发电系统持续驻留时间下的模糊切换自抗扰控制方法，并将其应用于起动
‑
发电系统的速度和直流电压控制之中。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]一种起动
‑
发电系统持续驻留时间下的模糊切换自抗扰控制方法，具体步骤如下：
[0007]步骤1：考虑负载切换的工作过程，得到起动
‑
发电切换系统形式；
[0008]步骤2：设计T
‑
S模糊规则，对起动
‑
发电切换非线性系统进行模糊线性化，得到模糊起动
‑
发电切换系统数学模型；
[0009]步骤3：考虑系统受扰动影响的情况下，进行模糊切换自抗扰控制器设计，包括模糊切换扩张状态观测器和模糊切换反馈控制律设计；
[0010]步骤4：建立动态误差系统，通过多李雅普诺夫函数设计，考虑切换过程对起动
‑
发电系统性能的影响，在持续驻留时间的切换信号设计方案下，分别研究误差系统的稳定性以及L
∞
性能条件；
[0011]步骤5：提出可求解的优化条件，对模糊切换自抗扰控制器参数进行优化求解，保证起动
‑
发电系统的稳定性、L
∞
性能和控制器的有效性；
[0012]步骤6：分别进行速度和直流电压回路的模糊切换自抗扰控制仿真实验，并对控制性能进行分析。
[0013]本专利技术的有益效果：本专利技术考虑起动
‑
发电系统存在负载切换导致的多模态工作情况，针对切换系统的扰动抑制控制分析，提出一种模糊切换自抗扰控制器的设计方法。本专利技术在分析起动
‑
发电系统对扰动抑制能力的基础上，通过设计模糊切换自抗扰控制器，进一步保证了起动
‑
发电系统在负载切换情况下的主动抑制扰动的能力，有效提升了起动
‑
发电系统的鲁棒性，具有一定的工程价值。
附图说明
[0014]图1为永磁起动
‑
发电系统结构；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种起动
‑
发电系统持续驻留时间下的模糊切换自抗扰控制方法，其特征在于，步骤如下：1)起动
‑
发电切换系统建模起动
‑
发电系统包括起动
‑
发电机、具有逆变/整流功能的驱动装置和负载，其中在起动工况下负载表现为电机轴上所拖动的负载转矩，在发电工况下负载表现为直流电压侧的功率消耗设备；负载的切换会直接导致起动
‑
发电系统的速度和直流电压控制回路呈现出切换系统的特性；在起动工况下，考虑轴接不同的负载，速度控制回路表示为如下所示的切换系统形式：其中，ω
m
是电机的机械角速度，T
e
是电磁转矩，T
2Li
是可切换的负载转矩，i∈S表示系统模态，S是所有系统模态组成的集合，B是粘滞摩擦系数，J是转动惯量，K为给定常数；在发电工况下，考虑负载电阻值的切换，直流电压控制回路同样表示为切换系统的形式：其中，u
dc
表示直流电压，i
dc
代表直流电流，R
i
是可切换的负载电阻，C是直流侧稳压电容，Δ
R
用于描述电阻值的波动；2)T
‑
S模糊切换系统建模对于公式(1)的切换系统，给定系统参数如下：转动惯量J＝10
‑4Kg
·
m2，粘滞摩擦系数B＝10
‑5，K＝10
‑8，电机的机械角速度范围ω
m
∈[0,104)rads/min，系统模态i∈{1,2}，可切换的负载转矩T
2L1
＝10
‑5ω
m
，T
2L2
＝0；选择x＝ω
m
，u＝T
e
，得到速度控制系统的具体形式为：
·
系统模态i＝1时：
·
系统模态i＝2时：为了保证控制分析和控制器设计的有效性，通过T
‑
S模糊方法对公式(1)的切换系统中的非线性项
‑
10
‑4x2进行模糊线性化；首先，选择模糊规则个数为2，设置前件变量为系统状态x；由于通过上下界的方式对非线性项进行拟合，得到
由式(3)，计算得到隶属度函数h
11
(x(t))＝h
21
(x(t))＝10
‑4x(t)h
12
(x(t))＝h
22
(x(t))＝1
‑
10
‑4x(t)因此，速度模糊切换系统表示为其中，a
11
＝
‑
1.2，a
12
＝
‑
0.2，a
21
＝
‑
1.1，a
22
＝
‑
0.1，b
il
＝104；对于公式(2)的切换系统，设置系统参数为：稳压电容C＝2mF，系统模态i∈{1,2}，可切换的负载电阻值R1＝2kΩ，R2＝1kΩ，电阻浮动Δ
R
＝0.4sin(u
dc
)；选择x＝u
dc
，u＝i
dc
，直流电压切换系统表示为：
·
系统模态i＝1时：
●
系统模态i＝2时：选择模糊规则个数为2，设置前件变量为系统状态x；通过T
‑
S模糊方法，分别对模态1和模态2下系统内所包含的非线性项进行模糊线性化，得到基于式(4)，计算得到隶属度函数h
11
(x(t))＝h
21
(x(t))＝0.5+0.5sin(x(t))h
12
(x(t))＝h
22
(x(t))＝1
‑
(0.5+0.5sin(x(t)))＝0.5
‑
0.5sin(x(t))因此，直流电压模糊切换系统表示为：其中，a
11
＝
‑
0.35，a
12
＝
‑
0.15，a
21
＝
‑
0.7，a
2...

【专利技术属性】
技术研发人员：费中阳，吴桢，孙希明，赵旭东，李昕泽，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：