磁悬浮反作用飞轮速率模式非线性协同控制方法

 为了改善磁悬浮反作用飞轮制动过程的动态性能和转速过零特性,提高飞轮的输出力矩精度,提出一种磁悬浮反作用飞轮速率模式非线性协同控制方法。首先建立包含电机和功率变换器的飞轮系统状态空间平均模型,然后基于飞轮系统的状态空间平均模型设计了加速和制动运行的协同控制律,并对控制律中的不确定扰动力矩项进行符号化处理,以提高控制系统抑制力矩扰动的动态响应速度。仿真和实验结果表明,该控制方法改善了转速过零特性,增强了飞轮对随机力矩扰动的鲁棒性,提高了制动控制的准确性,飞轮输出力矩精度达到6.2×10^-4N·m。     

磁悬浮反作用飞轮速率模式控制系统设计

针对磁悬浮反作用飞轮干扰力矩对输出力矩精度的影响,提出了一种速率模式数字控制方法,实现了正向加速、正向减速、反向加速、反向减速的四象限高精度稳定的转速跟踪控制,减速时,高速段利用飞轮储存的动能进行能耗制动,低速时进行反接制动,从而实现磁悬浮反作用飞轮速率模式控制.     

Attitude Control Considering Variable Input Saturation Limit for a Spacecraft Equipped with Flywheels

A new attitude controller is proposed for spacecraft whose actuator has variable input saturation limit. There are three identical flywheels orthogonally mounted on board. Each rotor is driven by a brushless DC motor (BLDCM). Models of spacecraft attitude dynamics and flywheel rotor driving motor electromechanics are discussed in detail. The controller design is similar to saturation limit linear assignment. An auxiliary parameter and a boundary coefficient are imported into the controller to guarantee system stability and improve control performance. A time-varying and state-dependent flywheel output torque saturation limit model is established. Stability of the closed-loop control system and asymptotic convergence of system states are proved via Lyapunov methods and LaSalle invariance principle. Boundedness of the auxiliary parameter ensures that the control objective can be achieved, while the boundary parameter’s value makes a balance between system control performance and flywheel utilization efficiency. Compared with existing controllers, the newly developed controller with variable torque saturation limit can bring smoother control and faster system response. Numerical simulations validate the effectiveness of the controller.     

电动汽车永磁同步电机滑模低速控制

针对采用永磁同步电机id=0矢量控制调速的电动汽车电机驱动控制系统,为了改善其抗负载扰动能力,并且当电动汽车处于低速运行时,能够输出大转矩,将滑模变结构控制中的变指数趋近律进行改进,设计了一种滑模速度控制器。为了减小滑模变结构控制的抖振问题,引入饱和函数来代替符号函数,同时考虑到滑模速度控制器中存在滞后问题,将饱和函数与经过积分环节后得到的信号相乘,在提高了响应速度的同时增强系统的抗扰动能力。经过仿真验证,不同负载工况下,滑模速度控制器具有较强的鲁棒性和抗扰动能力,满足电动汽车低速运行工况下输出大转矩的要求。     

利用飞轮的航天器姿态跟踪与能量存储

研究航天器集成能量与姿态控制系统中飞轮的控制律。系统中飞轮是姿态控制的执行机构,同时也是储能装置。首先利用Lyapunov方法设计了航天器姿态跟踪的反馈控制律,然后研究一种力矩形式的飞轮控制律。利用奇异值分解方法把飞轮组的控制力矩向量分解为3部分相互正交的力矩向量,一部分用来提供姿态控制力矩,一部分用来以给定的功率储能,另一部分完成轮速平衡以避免由于各飞轮轮速差异过大引起的飞轮饱和。提出了一种基于动能反馈的储能功率规划方案来保证系统的能量平衡,可以避免由于过剩能量引起的飞轮饱和。数值仿真结果验证了控制方案的有效性。     

基于轮毂电机的电动汽车再生制动研究

基于轮毂电机驱动的电动汽车的结构特点以及轮毂电机低转速、高转矩的特点,提出了轮毂电机再生制动方法。 为了恢复最大制动能量,在中等强度制动条件下通过轮内电机输出车辆减速的所有制动转矩。 由AMESim软件建立液压制动系统和轮毂电机驱动系统的车辆动力学模型。 通过NEDC循环和FTP75循环对车辆驾驶条件进行了仿真。仿真结果表明:采用轮内电机制动方式,制动能量回收率显著提高,电动车的能源效率提高30%以上。     

基于在线滚动序列核极限学习机的涡轴发动机非线性模型预测控制

针对涡轴发动机控制系统设计,提出了1种基于在线滚动序列核极限学习机的非线性模型预测控制方法。综合考虑直升机旋翼扭矩、燃气涡轮转速、动力涡轮转速、涡轮级间温度和压气机喘振裕度等信息,设计具有较好实时性、精度和泛化能力的多输出在线滚动序列核极限学习机作为预测模型,引入预测模型输出与发动机输出的误差进行反馈校正,利用序列二次规化算法在线求解包含限制约束的预测控制问题。在某型直升机/涡轴发动机综合平台的仿真环境中进行了直升机大幅度机动飞行仿真验证,结果表明:该模型预测控制器相比于传统串级控制具有更好的控制品质,可显著降低动力涡轮转速超调/下垂量。     

电力机车PMSM自适应模糊滑模控制

为研究牵引工况下电力机车永磁同步电机(PMSM)的转速控制精度,考虑轮轨接触不平顺及车体静载荷在轮对径向产生的未知时变负载转矩,建立了机车PMSM在dq坐标系下的数学模型。针对该耦合非线性系统中存在的负载转矩,设计非线性转矩观测器对其实际值进行估计,对观测误差采用自适应模糊逻辑系统进行逼近;为考察d轴电压过零跳变对转速控制及转矩观测性能的影响,在d轴电压控制器设计中引入Nussbaum函数,并依据Lyapunov稳定性理论,构造了基于转矩观测器的自适应模糊滑模控制器。理论分析及仿真结果表明,当转矩时变或d轴电压过零时,机车PMSM闭环转速控制系统跟踪误差一致有界,转矩观测误差收敛于0。     

基于Supertwisting滑模永磁同步电机驱动的转速和转矩控制

针对永磁同步电机(PMSM)空间矢量的直接转矩控制方案超调频繁、响应时间慢等问题,将传统的转速PI控制器和转矩PI控制器替换成Supertwisting滑模控制器,并从理论上证明了Supertwisting滑模控制器用在转速环和转矩环上能在有限时间内收敛。借助MATLAB/Simulink仿真软件研究了PMSM的转矩脉动,分析了其动态响应速度。仿真结果表明,在空间矢量直接转矩控制中采用Supertwisting滑模控制器与PI控制器相比有更小的转矩脉动,提高了动态响应速度并且解决了超调频繁的问题。     

基于交互正交试验的空间用谐波减速器传动性能影响因素研究

 针对空间用谐波减速器的传动性能受多种因素影响且这些因素又相互作用的实际情况,选用XB1-60-150型谐波减速器,采用交互正交试验方法,进行了谐波减速器传动性能热真空试验,考察了转速、环境温度、负载扭矩和润滑方式等因素及其耦合作用对谐波减速器传动效率的影响.通过极差分析和方差分析研究了各因素及其耦合作用对传动效率的影响敏感性,两种分析方法得到的试验结果一致.结果表明,在置信度p=99%时,转速和环境温度对谐波减速器传动性能有显著影响,且负载扭矩与润滑方式之间的交互作用高度显著;交互作用分析获得了谐波减速器最佳的空间使用条件,在该条件下谐波减速器的传动性能最优.     

基于二阶滑模算法的永磁电机直接转矩控制

针对传统直接转矩控制(DTC)方法低速控制精度差、转矩脉动大、开关频率不稳定等问题,提出了一种基于二阶滑模控制的永磁电机DTC方法。该控制方法基于二阶滑模控制原理,将传统磁链控制器与转矩控制器以滑模控制器替代,对空间电压进行矢量调制,提高了开关频率的稳定性,获得了良好的动态稳定性,改善了电机输出性能。仿真与试验结果表明,该控制方法能够有效减小电流脉动与转矩脉动,同时提高了控制系统的抗干扰能力,实现了电机的快速动态响应,具有较强的鲁棒性能。     

冗余飞轮构型下力矩分配策略设计与分析

 主要研究了航天器姿控系统中冗余飞轮构型的力矩分配问题。在阐明该问题的基础上,首先给出了能量最优的力矩分配策略,并考虑飞轮力矩约束对其进行了限幅处理;接着基于静态最优化理论和飞轮系统性质,对四飞轮和多飞轮情况分别设计了相应的力矩最优分配策略,由于可有效地输出飞轮系的最大力矩,其有重要的工程应用价值;最后研究并对比了几种典型构型下两种分配策略所能输出的力矩包络,表明了所设计方法的有效性。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

Stable Supervisory-Adaptive Controller for Spinning Satellite using Only Magnetorquers

In this paper, an adaptive controller for spinning satellites has been designed to achieve high attitude accuracy. In the cases which magnetorquers are used as actuators, the generated torque is perpendicular to the Earth's magnetic field, so a satellite is not completely controllable. In addition, the maximum value of achievable torque is limited due to capacity of magnetorquers. Hence, implementation of adaptive control law causes attitude error in system and also decreases the speed of response. To overcome these problems, a supervisory-adaptive controller has been designed. In this regard, sliding control has been used as a supervisory controller to correct the control signal applicable to magnetorquers. As a result of this method, stability of the system has been proved, output error has been decreased, and speed of response has been increased.     

Finite-time sliding mode attitude control for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system

This paper proposes a finite-time robust flight controller, targeting for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system(RCS). Firstly, a novel finite-time attitude controller is pointed out with the introduction of a nonsingular finite-time sliding mode manifold. The attitude tracking errors are mathematically proved to converge to zero within finite time which can be estimated. In order to improve the performance, a second-order finite-time sliding mode controller is further developed to effectively alleviate chattering without any deterioration of robustness and accuracy. Moreover, an optimization control allocation algorithm, using linear programming and a pulse-width pulse-frequency(PWPF) modulator, is designed to allocate torque commands for all the aerodynamic surface deflections and on–off switching-states of RCS thrusters.Simulations are provided for the reentry vehicle considering uncertain parameters and external disturbances for practical purposes, and the results demonstrate the effectiveness and robustness of the attitude control system.     

永磁辅助式同步磁阻电机转矩预测控制方法

为了验证永磁磁阻电机具备宽调速域的优势,同时充分发挥永磁磁阻电机在弱磁运行时的输出转矩,提出了一种基于转矩预测控制的全速域控制方法。采用Ansys设计了一台永磁磁阻电机,并与Simulink联合仿真验证了方法的可行性。验证结果表明:转矩预测控制方法可以使电机在全速域获得良好的动态性能,同时永磁磁阻电机弱磁运行时依然具有优秀的转矩输出能力。     

具有效率优化计算的异步电动机自抗扰与滑模直接转矩控制

为了克服异步电动机直接转矩控制中转矩和电流脉动大等缺点,设计改进的自抗扰速度控制器取代传统的比例积分(PI)控制器。根据异步电动机的数学模型以及滑模变结构控制理论设计了一种基于转矩误差和磁链平方误差的新型滑模控制器。考虑电机运行过程中负载转矩未知问题,设计了一种基于Supertwisting算法的负载转矩观测器。Supertwisting定子磁链观测器的应用提高了观测精确度。通过效率优化计算得出稳态时最优定子磁链,并将其引入调速系统。仿真试验结果表明,该控制策略有效地减小了转矩和电流脉动,并且对外部扰动具有较强抑制作用,同时能够降低电机运行损耗,具有良好的动态和稳态性能。     

航天用反作用飞轮旋转变压器位置检测算法

目前,航天用反作用飞轮大多采用霍尔传感器或光电码盘进行测速。但是,霍尔传感器在反作用飞轮低速运行时精度相对较低,光电编码器的环境适应性相对较弱。基于此,提出了一种使用旋转变压器检测反作用飞轮转子位置的方法。但如果在现有飞轮控制电路中额外使用旋转变压器专用解码芯片,会导致成本大大提高,故提出了使用控制电路中的FPGA进行解码的方法。首先,介绍了旋转变压器的工作原理,通过求解反三角函数获得转子位置。其次,介绍了传统坐标旋转数字计算机(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)算法。最后,针对传统CORDIC算法无法求解完整平面角度值问题,提出了一种改进型CORDIC算法求解转子位置,并给出了一种能够减少硬件使用资源的全流水线CORDIC阵列结构。通过Modelsim仿真,证明了所提出的方法具有占用资源较少、延迟低、测量精度较高等优点,在反作用飞轮测速应用中具有良好前景。     

轴向磁场磁通切换永磁电机控制系统建模及仿真研究

提出了一种新型结构的6/13极定子模块式轴向磁场磁通切换永磁(AFFSPM)电机。该电机具有结构紧凑、转矩密度大、效率高和容错性能强等特点。分析了AFFSPM电机结构和工作原理,推导了AFFSPM电机的数学模型。利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建了AFFSPM电机控制系统仿真模型,分别对滑模速度控制和比例谐振控制的控制策略进行仿真研究,分析对比AFFSPM电机的转速、转矩和三相电流的波形。仿真结果表明,与比例谐振控制策略相比而言,滑模控制策略下该新型AFFSPM电机控制系统具有较好的静态和动态性能。     

Adaptive sliding mode control for limit protection of aircraft engines

In practice, some sensors of aircraft engines naturally fail to obtain an acceptable measurement for control propose, which will severely degrade the system performance and even deactivate the limit protection function. This paper proposes an adaptive strategy for the limit protection task under unreliable measurement. With the help of a nominal system, an online estimator with gradient adaption law and low-pass filter is devised to evaluate output uncertainty. Based on the estimation result, a sliding mode controller is designed by defining a sliding surface and deriving a control law. Using Lyapunov theorem, the stability of the online estimator and the closed-loop system is detailedly proven. Simulations based on a reliable turbofan model are presented, which verify the stability and effectiveness of the proposed method. Simulation results show that the online estimator can operate against the measurement noise, and the sliding controller can keep relevant outputs within their limits despite slow-response sensors.