论文部分内容阅读
飞轮储能系统中,主动磁轴承经典的PID控制器在实际应用中存在以下问题:1、很难用试凑法高效的找到合适的PID参数。2、转子启动悬浮与低转速旋转时,振动剧烈,甚至与保护轴承发生碰撞。3、稳定悬浮时振幅过大,受到干扰较难恢复。本文针对电磁轴承控制系统中功率放大器对控制系统的影响进行分析,提出了串行PID控制,并设计了超前校正环节,一定程度上优化了上述问题。本文首先介绍了电磁轴承差动控制原理,推导了动力学公式,建立了差动控制的力学模型。然后介绍了经典PID控制,分析经典PID控制运用于600WH飞轮储能装置中的局限性,包括将功率放大器简化为比例环节,参数线性化造成的误差。同时对功率放大器进行进一步的分析,对功率放大器的各个环节建立数学模型,推导出输入与输出的等式关系,建立了功率放大器的传递函数模型。根据功率放大器的传递函数模型,运用根轨迹法分析了功率放大器对控制系统增益大小,以及稳定区域的影响,同时通过伯德图分析了功率放大器对于控制系统的相位滞后作用。针对根轨迹图,提出了串行不完全微分PID控制,通过劳斯稳定判据与等效刚度和等效阻尼的要求,确定了控制器的相关参数,明显改善了系统根轨迹图。针对功率放大器的相位滞后作用,设计了超前校正环节,确定了相关参数,改善了系统伯德图。在完成了控制器的设计与优化之后,运用MATLAB,SIMUILINK对控制系统进行参数的预整定,然后仿真分析了控制系统的响应。接着分析实际情况中的干扰信号来源,加入干扰信号进行仿真,更真实的模拟了实际情况。最后介绍了整个控制系统的实验过程,与实验平台的搭建。介绍了数据采集系统的软件、硬件结构,控制器电路结构,完整的功率放大器原理电路图。介绍了用于飞轮转子静态平衡位置定位以及设置标准电压的调理板基本原理,完整的电路图及平衡位置标定方法。给出了新的PWM电路图,以及相较于传统PWM电路能对方波的高低电平电压分别调整的原理与方法。详细介绍了控制系统搭建的过程,包括传感器的标定方式与标定结果;根据传感器的特性设计了飞轮转子标准位置标定实验,进行了静态悬浮实验,以及控制参数的确定实验,验证了控制器,调理板的工作效果。最后通过动态磁悬浮实验获取了实验数据,通过与经典PID控制的实验数据进行对比,验证了控制系统的可行性与优化效果。