1.一种抑制陀螺效应、低能耗的车载飞轮电池悬浮控制系统,其特征在于,包括低能耗控制系统和抑制陀螺效应控制系统;
所述低能耗控制系统包括电流传感器,PID控制器,smith预估器,前馈控制器,功率放大器以及电流传感器;电流传感器读取控制电流,控制电流作为PID控制器的输入变量,经PID控制器调整和功率放大器放大后输出,控制磁轴承转子实现低功率运行,当扰动产生时,前馈控制器开始工作,根据扰动的大小改变自身的控制量,以抵消扰动对电流产生的影响;与此同时,smith预估器会估测出该扰动进入系统后引起的动态效应,并将预估结果反馈给PID控制器,使控制器提前变化对扰动进行补偿;
所述抑制陀螺效应控制系统包括位移传感模块,PID控制模块,前馈控制器,力/电流变换模块,功率放大模块;检测磁轴承转子的信号通过位移传感模块,作为PID控制器的输入变量,PID控制器对输入信号进行解耦,将耦合项消除,经力/电流变换模块将输出转换为电流信号,并输出至功率放大模块,信号经功率放大后输出控制电流,控制磁轴承平稳运行,在PID控制器无法立即进行调节时,由前馈控制器调节减弱或消除扰动;
所述低能耗控制系统的传递函数设置为:
其中,要实现完全补偿,要求Y(s)=0,即满足
所述smith预估器的建立,包括如下步骤:
(1)针对系统的动态特性,即传递函数分母中出现滞后项,则系统的传递函数为:令
消除分母的滞后项,使得滞后性质不会影响系统稳定性;
其中,D(s)为扰动变量;Y(s)为输出变量;G1(s)为pid的数学模型;G2(s)为控制通道数学模型;G3(s)为前馈控制器数学模型;G4(s)为扰动通道数学模型;τ2为控制通道时间常数;
Gs(s)为预估器的数学模型; 为不考虑延迟的控制通道模型;
(2)根据接入前馈控制器后的动态特性,得出控制通道的时间常数,并且由上式将函数作为smith预估器的数学模型;
(3)加入扰动,得出前馈控制与smith预估器共同作用下的电流特性,调整预估的时间常数,以获得最理想的时间常数,实现飞轮电池的低功率运行;
所述前馈控制器模型的建立包括以下步骤:
(1)根据飞轮电池参数,建立磁悬浮飞轮转子的数学模型;
(2)通过仿真分析飞轮电池在某一速度下,不同运行情况下电池电流的变化规律,并以速度作为变量变化,得出电流的变化情况,进而得出飞轮电池的功率损耗情况;所述不同运行情况是指:平路运行,启动和加速,转弯,上坡与下坡,减速与停车;(3)根据变化规律得出控制通道和扰动通道的模型函数,并作为前馈控制器的数学模型;
(4)以速度作为变量,变化速度作为扰动,根据电流的变化情况调整通道的模型,并和原电流规律作比较,达到补偿扰动的目的。
2.根据权利要求1所述的车载飞轮电池悬浮控制系统,其特征在于,所述PID控制模块在分散PID的基础上结合交叉反馈控制实现,形成PID‑交叉反馈控制器;所述PID‑交叉反馈控制器对输入信号进行交叉解耦处理。
3.根据权利要求2所述的车载飞轮电池悬浮控制系统,其特征在于,所述PID‑交叉反馈控制器对输入信号进行交叉解耦的同时还进行耦合补偿,抑制陀螺效应。