储能飞轮径向磁轴承的H∞鲁棒控制器.pdfVIP

第28卷 第5期 阳 能 学 报 Vol.28 No .5 2(X刀年5月 ENERGIAESOLARISSINICA May.2X《y7 文章编号:0劝咚仪湘听2《州介》05.05引乡05 储能飞轮径向磁轴承的H二鲁棒控制器 吕慎刚，蒋书运 (东南大学机械工程学院，南京2111苏巧) 摘 要:磁轴承已广泛应用于飞轮储能技术中，但磁轴承建模时存在不确定性问题，采用常规方法整定的控制器 难以保证其优良的稳定性和抑制扰动能力。研究基于状态空间的径向磁轴承参数不确定H.控制，运用于磁轴承 状态反馈控制器设计中，并借助于MATI人B仿真工具给出了不同情况下H。控制的仿真波形。研究结果表明:在所 考虑的刚度参数不确定性范围内，基于H。理论的控制器具有较好的稳定性、鲁棒性和抑制扰动能力。 关键词:储能飞轮;磁轴承;H.控制;状态反馈;参数不确定性 中图分类号:TH133.3 文献标识码:A 0 引 言 1磁轴承模型 磁轴承由于具有高转速、无磨损、无需润滑、动 图1为本研究室研究开发的飞轮储能系统示意 态特性可调等突出优点，为飞轮储能装置的研究开 图。飞轮转子的姿态呈立式，整个系统由飞轮本体、 发提供了条件[’一2〕。磁轴承控制器设计是磁轴承的 磁轴承系统、电动/发电机、附加设备与辅助机械轴 核心技术，其性能不仅关系到磁轴承的稳定悬浮工 承、控制系统等组成。它将电能转换成高速旋转飞 作，而且决定轴承系统的刚度和阻尼，影响承载能 轮的机械动能，利用电动/发电机和电力电子变流装 力、动态性能等相关指标。PID控制是经典的控制， 置来实现能量的存贮和释放。磁轴承系统包括两个 目前在磁轴承控制中占重要地位卜5」。但磁轴承是 径向磁轴承和一个轴向磁轴承，它们约束飞轮转子 具有强烈非线性的控制对象，在作一些假设和线性 系统除旋转外的其余5个自由度，以使其安全稳定 近似处理后，系统建模存在参数不确定和未建模动 的运行。 态使得采用常规方法整定的控制器达不到理想的控 制效果。上世纪80年代提出的H.控制具有较好的 鲁棒稳定性和干扰抑制能力，为人们所广泛关 注[6一’〕。一些学者运用H.理论将不确定性和干扰 抑制问题转化为混合灵敏度频域设计问题或参数不 确定性的鲁棒稳定问题，使磁轴承控制器的性能得 到一定提高[8一’。〕。为解决径向磁轴承系统参数不确 定性和外界的干扰，兼顾系统的稳定鲁棒性和性能 鲁棒性，本文以本研究室开发的飞轮储能系统为研 L保护轴承;2.轴向磁轴承;3.飞轮本体; 究对象，研究了基于H。理论的径向磁轴承位移刚度 4.电动/发电机;5.飞轮外罩;6.真空室; 7.径向磁轴承;8.传感器 和电流刚度参数不确定性控制器设计。结果表明， 所设计的控制器在参数不确定性范围内具有较好的 图1飞轮储能系统示意图 稳定性、鲁棒性和抑制扰动能力。 Fig.1反hell坦ticlayOUtofenergy sto舆gen尹山ec1System 收稿日期:2仪巧峨犯减龙 基金项目:国家自然科学基金(5017匆13); 江苏省高技术研究计划(BG双众刃35); 国家高技术研究计划(2以万AA052237) 5期 吕慎刚等:储能飞轮径向磁轴承的H。鲁棒控制器 其中径向磁轴承系统结构如图2所示。在忽略 阵，并假设△A和△B满足: 铁芯材料磁阻的情况下，控制系统采用差动驱动结 [△A △刀]=￡习(:)[尸。F、] (5) 构，则磁轴承产生的电磁力为: 式中，E、F.、凡— 已知定常阵;习(t)— 未知矩