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复杂扰动下车载磁悬浮飞轮电池系统动态建模与控制研究
| 论文题名： | 复杂扰动下车载磁悬浮飞轮电池系统动态建模与控制研究 |
| 关键词： | 车载磁悬浮飞轮电池;轴向磁悬浮支承;复杂扰动;滑模控制器;路况性能 |
| 摘要： | 车载磁悬浮飞轮电池是一种能量转换效率高、比功率大、使用寿命长及对环境友好的新型车用电池技术。然而，车辆（本文又称“基础”）运动时产生的复杂扰动（行驶工况和路况）会影响不同自由度的磁悬浮支承系统稳定性，从而加剧系统的模态自激振动和强迫响应振动，最终导致系统失稳。本文分别针对两种典型的车载磁悬浮飞轮电池系统拓扑，研究了其基于行驶工况和路况的动态解析模型和控制策略对系统动态稳定性的影响。 以一种向心力式磁轴承支承的长轴型车载飞轮电池系统为例，研究了不同行驶工况下的动态建模方法。建立了球面坐标系下的麦克斯韦静态模型，引入因行驶工况影响而产生的附加变量，从而建立起动态模型。基于系统动态模型，借助基础影响下的ADAMS与MATLAB联合仿真分析了转子在不同行驶工况模式下的偏移规律，进一步构建了多个动态修正子模型，提高系统模型的精确性。利用插值法评估了修正模型的误差，验证了所提模型的合理性。基于PID控制策略建立并分析了控制系统的构成，为后续的实验验证奠定基础。 以一种虚拟轴式的无轴型车载磁悬浮飞轮电池系统为例，研究了不同等级的路况对其轴向磁悬浮支承系统的影响。重点建立了轴向磁轴承支承系统的时变非线性解析模型，其中将路况扰动作为未建模动力学。采用滑模控制策略设计了滑模控制器，利用最小参数学习法的RBF神经网络实现了系统的逼近，有利于实际工程应用。基于Lyapunov稳定性判别定理分析了控制器的稳定性，通过系列仿真验证了不同路况下的系统鲁棒性。 通过车载磁悬浮飞轮电池实验平台进行了刚度测试、行驶工况性能测试以及路况性能测试，验证了动态修正模型和滑模控制器对两种原型系统稳定运行的效果。研究结果表明，动态修正模型对比其他模型具有更高的精确度、刚度上的线性化程度更佳，行驶工况性能符合实际运行情况、抗干扰能力更强。滑模控制器能够适应不同等级的路况干扰，实现了系统较好的鲁棒性。研究结果旨在为后续车载磁悬浮飞轮电池的实际应用提供有益参考。 |
| 作者： | 张林东 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 张维煜 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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