一种基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制方法，属于自动化技术领域。该方法将风力机舱悬浮系统分为轴向悬浮系统和俯仰抑制系统，并由反步法分解为机舱悬浮位置系统、机舱悬浮速度系统、俯仰角度系统和俯仰角速度系统，针对四个系统分别设计了约束边界；设计了有限时间干扰观测器设计对机舱悬浮速度、俯仰角速度以及所受外部扰动进行估计；基于障碍Lyapunov函数设计了轴向悬浮控制器和同步控制器。本发明专利技术在保证系统快速跟踪能力的同时，能有效抑制因外部扰动和参数不确定性对系统运行的影响，可以良好的兼顾暂态和稳态性能，确保机舱在外界干扰的影响下平稳可靠运行。靠运行。靠运行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制方法


[0001]本专利技术涉及一种控制方法，尤其是一种基于障碍Lyapunov函数对风力机舱悬浮系统状态进行约束的控制方法，属于自动化


技术介绍

[0002]磁悬浮系统本质上为非线性、弱阻尼的不稳定系统，风力机舱磁悬浮系统工作在80米高的塔架上，悬浮工况恶劣且风速风向时变，使得机舱稳定悬浮极具挑战。由于风力机舱桨叶侧、尾翼侧之间存在较大的迎风面积差，机舱两侧存在极大的倾覆力矩，使得机舱极易发生俯仰，严重影响风电机组运行安全。特别是在悬浮过程中降落和上升时因速度过快而导致机械冲击，严重影响磁悬浮系统使用寿命，因此对机舱稳定悬浮，同步控制以及暂态性能的提升是研究的重点。前期提出的双环协同悬架控制方法与具有同步补偿的自适应鲁棒控制策略，相比于带自适应补偿的PID控制具有更快的动态响应速度、更小的稳态误差和同步误差。但上述控制策略并未对系统状态进行有效约束，仍存在干扰抑制能力差、动态响应速度慢等问题，无法有效应对实际系统中存在的高频扰动与外界干扰。
[0003]采用基于障碍Lyapunov函数控制方法实现对风力机舱悬浮系统状态进行约束，保证悬浮气隙跟踪误差和同步误差满足给定的暂态性能指标，保证了系统良好的跟踪性能和同步效果，且在受到干扰时，会产生较大的控制效果从而使系统恢复到稳定运行状态。但值得指出的是，传统的障碍Lyapunov函数法设置了恒定性能指标，为提升系统的响应速度需设置严苛的性能指标，这将导致系统出现抖振现象，极易超出性能指标限制而发生奇异问题，导致算法失效。为避免系统抖振，控制输出需设置较小的增益，而实际系统运行过程中不可避免地会受到外界干扰和不确定性的影响，极易发生超限带来的奇异问题，为避免奇异问题出现，需设置较低的性能指标要求，在此基础上提升系统暂态性能，需要增大控制输出增益。将状态信息引入约束边界的设计，可以动态调整约束敏感区间，具有良好的暂态性能和稳态性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于：针对现有技术的空白和不足，本专利技术提供一种基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制方法。将风力机舱悬浮系统分为轴向悬浮系统和俯仰抑制系统，有限时间干扰观测器设计，基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制器设计；所述轴向悬浮系统由反步法分解为机舱悬浮位置系统和机舱悬浮速度系统，所述俯仰抑制系统由反步法分解为俯仰角度系统和俯仰角速度系统；所述机舱悬浮位置系统采用含机舱悬浮位置反馈信息的边界函数对悬浮位置约束，所述机舱悬浮速度系统采用固定边界对悬浮速度约束，所述俯仰角度系统采用含俯仰角度反馈信息的边界函数对俯仰角度约束，所述俯仰角速度系统采用固定边界对俯仰角速度约束；所述有限时间干扰观测器设计是采用含分数阶形式的干扰观测器对机舱悬浮速度、俯仰角速度以及所受外部
扰动进行估计，分为轴向有限时间干扰观测器和俯仰有限时间干扰观测器；所述基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制器设计是基于所设计的约束边界对风力机舱悬浮系统状态进行约束，分为轴向悬浮控制器设计和同步控制器设计，所述轴向悬浮控制器设计基于对机舱悬浮位置系统约束得到虚拟控制律，将虚拟控制律作为机舱悬浮速度系统的虚拟参考，基于对轴向悬浮速度系统约束得到轴向悬浮系统实际控制输入，所述同步控制器设计基于对俯仰角度系统约束得到虚拟控制律，将虚拟控制律作为俯仰角速度系统的虚拟参考，基于对俯仰角速度系统约束得到俯仰抑制系统实际控制输入，系统中不确定项采用含分数阶的自适应方法补偿。
[0005]为了达到以上目的，本专利技术一种基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，将风力机舱悬浮系统的分为轴向悬浮系统和俯仰抑制系统
[0007]建立轴向悬浮高度系统模型：
[0008][0009]俯仰角度抑制系统模型：
[0010][0011]其中，H为中心悬浮高度H＝(H
A
+H
B
)/2，H
A
和H
B
分别为桨叶侧和尾翼侧悬浮高度，L为悬浮气隙与高度之和，(L
‑
H
A
)和(L
‑
H
B
)分别为桨叶侧和尾翼侧悬浮气隙，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，i
A
和i
B
分别为桨叶侧和尾翼侧励磁电流，J为机舱俯仰转动惯量，T
r
为机舱倾覆力矩，r为机舱旋转半径，m为风力机舱质量，g为重力加速度，f
d
为机舱轴向干扰，ΔH
x
＝H
x
‑
H0，Δi
x
＝i
x
‑
i0，其中x为A或B，i0和H0分别为目标电流与目标气隙，(L
‑
H0)为轴向悬浮气隙。
[0012]步骤2，有限时间干扰观测器设计
[0013]A)轴向有限时间干扰观测器：
[0014][0015]B)俯仰有限时间干扰观测器：
[0016][0017]其中，x1、x2分别为轴向悬浮高度和轴向悬浮速度，分别为悬浮高度和悬浮速度的观测值，x3、x4分别为俯仰角度和俯仰角速度，分别为俯仰角度和俯仰角速度
的观测值，为悬浮高度和俯仰角度观测误差，l
11
、l
21
、l
12
、l
22
、l
13
、l
23
为正标量，Δu1、Δu2为轴向控制律与同步控制律，为轴向侧与同步侧外界干扰估计值，b
10
＝μ0N2Si0/(2m(L
‑
H0)2)，a
20
＝μ0N2Si
02
/(2m(L
‑
H0)3)，b
20
＝μ0N2Si0/(2m(L
‑
H0)2)。
[0018]步骤3，基于障碍Lyapunov函数全状态约束控制器设计
[0019]A)轴向悬浮控制器设计
[0020]定义变量e1＝x1‑
x
1d
，e2＝x2‑
α1，其中x
1d
是期望高度，α1是虚拟控制输入变量，
[0021]A1)构造障碍Lyapunov函数为：
[0022][0023]构建含悬浮位置反馈信息的边界函数为：
[0024][0025]其中，k
b1_0
，k
b1_∞
，k
t1
，X1，a1，c1，ξ1，λ1为正常数，k
b1_0
表示边界函数初值，k
b1_∞
表示边界函数收敛目标，k
t1
指定函数收敛速度，X1规定边界函数的动态区间，e1为悬浮高度跟踪误差，a1影响本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制方法，其特征在于：将风力机舱悬浮系统分为轴向悬浮系统和俯仰抑制系统，有限时间干扰观测器设计，基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制器设计；所述轴向悬浮系统由反步法分解为机舱悬浮位置系统和机舱悬浮速度系统，所述俯仰抑制系统由反步法分解为俯仰角度系统和俯仰角速度系统；所述机舱悬浮位置系统采用含机舱悬浮位置反馈信息的边界函数对悬浮位置约束，所述机舱悬浮速度系统采用固定边界对悬浮速度约束，所述俯仰角度系统采用含俯仰角度反馈信息的边界函数对俯仰角度约束，所述俯仰角速度系统采用固定边界对俯仰角速度约束；所述有限时间干扰观测器设计是采用含分数阶形式的干扰观测器对机舱悬浮速度、俯仰角速度以及所受外部扰动进行估计，分为轴向有限时间干扰观测器和俯仰有限时间干扰观测器；所述基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制器设计是基于所设计的约束边界对风力机舱悬浮系统状态进行约束，分为轴向悬浮控制器设计和同步控制器设计，所述轴向悬浮控制器设计基于对机舱悬浮位置系统约束得到虚拟控制律，将虚拟控制律作为机舱悬浮速度系统的虚拟参考，基于对轴向悬浮速度系统约束得到轴向悬浮系统实际控制输入，所述同步控制器设计基于对俯仰角度系统约束得到虚拟控制律，将虚拟控制律作为俯仰角速度系统的虚拟参考，基于对俯仰角速度系统约束得到俯仰抑制系统实际控制输入，系统中不确定项采用含分数阶的自适应方法补偿，包括以下步骤：步骤1将风力机舱悬浮系统的分为轴向悬浮系统和俯仰抑制系统；步骤2设计有限时间干扰观测器；步骤3设计基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制器。2.根据权利要求1所述的一种基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制方法，其特征在于：步骤1具体包括以下步骤：建立轴向悬浮高度系统模型：俯仰角度抑制系统模型：其中，H为中心悬浮高度H＝(H
A
+H
B
)/2，H
A
和H
B
分别为桨叶侧和尾翼侧悬浮高度，L为悬浮气隙与高度之和，(L
‑
H
A
)和(L
‑
H
B
)分别为桨叶侧和尾翼侧悬浮气隙，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，i
A
和i
B
分别为桨叶侧和尾翼侧励磁电流，J为机舱俯仰转动惯量，T
r
为机舱倾覆力矩，r为机舱旋转半径，m为风力机舱质量，g为重力加速度，f
d
为机舱轴向干扰，ΔH
x
＝H
x
‑
H0，Δi
x
＝i
x
‑
i0，其中x为A或B，i0和H0分别为目标电流与目标气隙，(L
‑
H0)为轴向悬浮气隙。3.根据权利要求2所述的一种基于障碍Lyapunov函数全状态约束风力机舱悬浮控制方法，其特征在于：步骤2具体包括以下步骤：A)轴向有限时间干扰观测器：
B)俯仰有限时间干扰观测器：其中，x1、x2分别为轴向悬浮高度和轴向悬浮速度，分别为悬浮高度和悬浮速度的观测值，x3、x4分别为俯仰角度和俯仰角速度，分别为俯仰角度和俯仰角速度的观测值，为悬浮高度和俯仰角度观测误差，l
11
、l
21
、l
12
、l
22
、l
13
、l
23
为正标量，Δu1...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚晓广，李慧，潘浩东，孔英，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：