一种程控消磁电流源高精度电流控制方法

1.本发明属于消磁电源控制技术领域，具体涉及一种程控消磁电流源高精度电流控制方法。


背景技术：

2.目前，近零磁场环境在量子信息技术、生物电磁学、航空航天、国防工程等各个领域都具有广泛而独特的应用。磁屏蔽装置是屏蔽外部环境磁场、实现近零磁场环境的有效方法，常由被动屏蔽系统和主动磁补偿系统两种手段结合以达到近零磁场的要求。磁屏蔽装置的屏蔽层通常由高导磁材料(如坡莫合金)和高导电材料组成，高导磁材料基于磁通分流效应以屏蔽低频磁场，高导电材料基于涡流效应以屏蔽高频磁场。
3.通常情况下，磁屏蔽装置的被动屏蔽系统采用多层坡莫合金等软磁材料构成多层屏蔽层，因此，在屏蔽外部环境磁场的同时，屏蔽层会被不完全可逆磁化，导致屏蔽材料自身产生剩磁。另外，在安装和运输过程中，由于受到应力作用也会使得屏蔽材料产生剩磁。磁屏蔽装置的剩余磁场大小取决于外部静态磁场和屏蔽材料自身磁场之和，屏蔽材料剩磁过大会影响磁屏蔽装置的屏蔽性能。因此，对屏蔽材料进行退磁处理，是减小磁屏蔽装置剩余磁场、提升屏蔽性能的关键技术之一。
4.常见的退磁方法有静态退磁、热致退磁和动态退磁三种。静态退磁需要提供较强的反向磁场，且随着工作温度的变化所施加的强磁场强度不同。热致退磁是将待退磁材料加热到居里温度以上，该方法虽然可以有效消除材料的残余磁化，但是同时也会破坏材料的其他物理特性，并且并不适用于已经装配完成的大中型磁屏蔽装置。动态退磁可以分为直流电退磁和交流电退磁，其工作原理是将待退磁工件放置于交变衰减的磁场中，沿着递减的磁滞回线进行退磁。直流电退磁需要频繁改变直流电方向，并且电流的衰减幅值应尽可能小。交流电退磁可分为通过法和衰减法，通过法适用于中小型工件的批量退磁，不适用于大中型多层复杂结构磁屏蔽装置。目前，磁屏蔽装置整体退磁大多使用的都是较为容易实现的衰减法，在磁屏蔽装置上合理地缠绕消磁线圈并向消磁线圈中通入交变衰减的正弦消磁电流，进而对磁屏蔽装置整体进行退磁。为了实现磁屏蔽材料的有效退磁，消磁电流需要满足以下要求：(1)消磁电流初始值应足够大，使得磁屏蔽材料达到饱和；(2)消磁电流的衰减步长要尽可能小；(3)消磁电流参数可调。以上消磁电流的特殊要求相应地对消磁电源设计提出了更高的要求，与普通逆变电源不同的是，消磁电源输出的电流动态范围要求大、需产生多种可控的衰减正弦电流，且对小幅值的电流控制精度高。另外，作为消磁电源的负载，磁屏蔽装置消磁线圈的电气参数具有非线性和时变特性，造成不同幅值和频率下电流存在畸变，而非正弦的消磁电流会影响屏蔽材料的退磁效果，进而影响磁屏蔽装置的屏蔽性能。另外，逆变电源系统中存在的扰动，如电子器件的非理想特性、参数不确定性等也会使得输出电流中产生谐波，影响输出电流质量，增加了退磁效果的不确定性。因此，如何在大功率、宽电流范围输出的前提下实现高精度的电流抗扰控制是目前消磁电源研制中需要解决的主要问题。
5.扩张状态观测器作为自抗扰控制的重要组成部分，将参数不确定性、外部干扰、未建模动态等视为集总干扰，并将其扩张为原始系统的一个新状态变量，通过对集总干扰进行估计并在控制器中进行补偿，进而抑制扰动对系统的不利影响。然而，当被控系统阶数大于2时，在实际工程应用中扩张状态观测器的参数配置将十分困难。滑模控制是一种变结构控制，根据系统当前的状态量变化采用不同的控制律，使系统状态按照预期的滑动模态轨迹运动。滑动模态可以自行设计，并且当系统进入滑动模态后与原始系统状态及外部扰动无关，因此滑模控制具有较强的鲁棒性。然而，控制器的不连续切换会导致抖振问题，滑模控制器与扰动估计补偿结合的复合控制方法可以有效地抑制抖振。


技术实现要素：

6.为了实现非线性负载参数时变等多种扰动存在下的高精度消磁电流输出，本发明提出了一种程控消磁电流源高精度电流控制方法。该方法通过设计级联扩张状态观测器对集总扰动进行观测，并且通过前馈通道对观测的集总扰动进行补偿。通过级联扩张状态观测器和滑模控制相结合的复合控制器，抑制集总扰动对程控消磁电流源输出电流的影响，实现高精度的消磁电流输出。所设计的方法减少了高阶系统观测器需要整定的观测器参数，降低了扩张状态观测器在高阶系统的实际工程应用中参数配置的复杂性，提高了程控消磁电流源系统的抗扰能力，使得输出电流精度进一步提高。
7.本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
8.一种程控消磁电流源高精度电流控制方法，包括如下步骤：
9.步骤1、根据基尔霍夫定律建立程控消磁电流源非线性负载下的数学模型，基于该数学模型构建程控消磁电流源的状态空间表达式；
10.步骤2、设计级联扩张状态观测器对程控消磁电流源系统中的集总扰动进行观测，并且通过前馈通道在控制器中对观测的扰动进行补偿；集总扰动包括多种扰动，所述多种扰动包括非线性负载参数时变导致的电流波动、电子元件参数摄动等；
11.步骤3、设计基于级联扩张状态观测器和滑模控制相结合的复合控制器，抑制集总扰动对程控消磁电流源输出电流的影响，实现高精度的消磁电流输出。
12.进一步地，所述本步骤1包括：
13.根据基尔霍夫定律，非线性负载下单相全桥逆变器数学模型为：
[0014][0015]
其中，v
dc
、v
in
、vo分别为直流母线电压、逆变器输出电压和负载电压，u为控制输入，i
l
、ic、io分别为电感电流、电容电流和负载电流，re为逆变器等效电阻，lf、cf分别为lc滤波器电感和电容，l
l
、r
l
分别为非线性负载的电感和电阻；
[0016]
选取系统状态变量为x1表示负载电流io，x2表示负载电流的一阶导数x3表示负载电流的二阶导数系统状态方程写为：
[0017][0018]
进一步地，所述步骤2中，设计级联扩张状态观测器包括：
[0019]
考虑扰动，系统状态方程进一步写为：
[0020][0021]
其中，δ1、δ2、δ3为系统参数不确定性，w(t)为外部扰动；
[0022]
则系统状态空间表达式进一步表示为：
[0023][0024]
令集总扰动f
′
包括参数不确定性、内部未知扰动和外部未知扰动，表示为：
[0025]f′
＝f(x1,x2,x3)+w(t)
[0026]
＝-(a1+δ1)x
1-(a2+δ2)x
2-(a3+δ3)x3[0027]
将集总扰动f
′
作为系统的扩张状态变量，即x4＝f
′
，h表示集总扰动f
′
的一阶导数，假设扰动和扰动的导数有界且连续，则程控消磁电流源系统的扩张状态方程写为：
[0028][0029]
y＝x1[0030]
其中，y表示状态方程的输出。
[0031]
基于以上扩张状态方程，为减小待整定观测器参数、简化观测器参数配置，设计三个具有相同参数的级联二阶扩张状态观测器观测集总扰动；
[0032]
定义状态变量为其中，估计x1，估计x2，估计x3，估计集总扰动f
′
，和为级联扩张状态观测器的中间变量；估计误差定义为为级联扩张状态观测器的中间变量；估计误差定义为级联扩张状态观测器的状
态方程如下：
[0033][0034]
其中，为线性级联扩张状态观测器的参数，为负载电流x1的观测误差，为负载电流一阶导数x2的观测误差，为负载电流二阶导数x3的观测误差，为集总扰动f
′
的观测误差，为中间变量与上一级扩张状态观测器输出之差。
[0035]
进一步地，所述步骤3包括：
[0036]
将级联扩张状态观测器的状态方程和扩张状态方程做差，进一步得到级联扩张状态观测器的误差方程为：
[0037][0038]
令负载电流参考指令为i
ref
，定义跟踪误差向量为选取滑模面s为：
[0039]
s＝c1ξ1+c2ξ2+ξ3[0040]
其中，c1、c2为正实数；对上式求导，则有：
[0041][0042]
其中，为负载电流参考的三阶导数。
[0043]
结合系统状态空间表达式，进一步得到滑模控制律为：
[0044][0045]
选取指数趋近律为：
[0046][0047]
其中，ε为开关增益，k为趋近速度参数，sgn()为符号函数；
[0048]
将指数趋近律带入滑模控制律中，并且通过级联扩张状态观测器观测的集总扰动用于补偿滑模控制律中的扰动，则基于级联扩张状态观测器和滑模控制的复合控制律设计
为：
[0049][0050]
本发明与现有技术相比有益效果在于：
[0051]
1、本发明利用级联扩张状态观测器对程控消磁电流源系统的集总干扰进行估计，减少了高阶系统观测器需要整定的观测器参数，大大降低了扩张状态观测器在高阶系统的实际工程应用中参数配置的复杂度，工程实验较为简单。
[0052]
2、本发明采用具有强鲁棒性的滑模控制方法，提高了程控消磁电流源的扰动抑制能力，实现了非线性负载参数时变等多种扰动存在下的高精度消磁电流输出，从而全面提高了消磁精度和准确度。另外，滑模控制器扰动估计补偿结合的复合控制方法可以有效地抑制滑模控制所带来的抖振问题。
[0053]
3、本发明为基于级联扩张状态观测器和滑模控制的消磁电流源逆变器系统复合控制方法，提高程控消磁电流源系统的扰动抑制能力和鲁棒性，实现非线性负载参数时变等多种扰动存在下的高精度消磁电流输出，进而提升消磁性能。
附图说明
[0054]
图1为本发明的程控消磁电源高精度电流控制方法流程图；
[0055]
图2为本发明程控消磁电源系统电路示意图；
[0056]
图3为本发明基于级联扩张状态观测器和滑模控制的程控消磁电源高精度电流控制框图。
[0057]
图中：1为三相交流电，2为单相全桥逆变器，3为lc滤波器，4为非线性阻感负载，5为电流传感器，6为a/d采集模块，7为控制单元，8为spwm生成器，9为滑模控制器，10为级联扩张状态观测器。
具体实施方式
[0058]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0059]
如图1所示，本发明的一种程控消磁电源高精度电流控制方法首先根据基尔霍夫定律建立程控消磁电流源非线性负载下的数学模型，基于该数学模型构建程控消磁电流源的状态空间表达式；然后，设计级联扩张状态观测器对程控消磁电流源系统中的集总扰动进行观测，集总扰动包括非线性负载参数时变导致的电流波动、电子元件参数摄动等多种扰动，并且通过前馈通道在控制器中对观测的扰动进行补偿；最后，设计基于级联扩张状态观测器和滑模控制相结合的复合控制器，抑制集总扰动对程控消磁电流源输出电流的影响，实现高精度的消磁电流输出。
[0060]
如图2所示，程控消磁电流源由三相交流电1，单相全桥逆变器2，lc滤波器3，非线性阻感负载4，电流传感器5，a/d采集模块6，控制器7，spwm生成器8组成。其中，三相交流电1在整流之后生成直流母线电压，经单相全桥逆变器2逆变为消磁电流，使用lc滤波器3滤除
消磁电流中的高频谐波，非线性阻感负载4为磁屏蔽舱消磁线圈的等效负载模型，电流传感器5采集非线性阻感负载4的电流，即消磁电流，经a/d采集模块6将电流信息采集到控制器7中，控制器7根据输入的参考电流信号和采集到的电流信息，输出占空比的控制量，经spwm生成器8生成单相全桥逆变器2的开关信号，进而实现正弦电流跟踪，产生所需的消磁电流。
[0061]
如图3所示，程控消磁电流源高精度电流控制框图，负载电流与滑模控制器9的控制量输出一起作为级联扩张状态观测器10的输入，级联扩张状态观测器10对集总扰动进行观测，将扰动的估计量与参考电流及相关变量、负载电流及相关变量一起作为滑模控制器9的输入。
[0062]
本发明的具体实施步骤如下：
[0063]
步骤(1)：建立程控消磁电流源非线性负载下的数学模型：
[0064]
根据基尔霍夫定律，非线性负载下单相全桥逆变器数学模型为：
[0065][0066]
其中，v
dc
、v
in
、vo分别为直流母线电压、逆变器输出电压和负载电压，u为控制输入，i
l
、ic、io分别为电感电流、电容电流和负载电流，re为逆变器等效电阻，lf、cf分别为lc滤波器电感和电容，l
l
、r
l
分别为非线性负载的电感和电阻。
[0067]
选取系统状态变量为x1表示负载电流io，x2表示负载电流的一阶导数x3表示负载电流的二阶导数系统状态方程可以写为：
[0068][0069]
步骤(2)：设计级联扩张状态观测器：
[0070]
实际逆变器系统中存在诸多不确定因素，比如滤波电感、电容实际参数与理论参数存在偏差且等效电阻无法精确测量，系统运行中滤波电感、电容等老化、温度变化等。另外，由于消磁线圈属于非线性负载，在消磁电流的作用下负载具有时变性。考虑扰动下的系统状态方程进一步可以写为：
[0071]
[0072]
其中，δ1、δ2、δ3为系统参数不确定性，w(t)为外部扰动。
[0073]
则系统状态空间表达式进一步表示为：
[0074][0075]
令“集总扰动”为包括参数不确定性、内部未知扰动和外部未知扰动，表示为：
[0076]f′
＝f(x1,x2,x3)+w(t)
[0077]
＝-(a1+δ1)x
1-(a2+δ2)x
2-(a3+δ3)x3[0078]
将集总扰动f
′
作为系统的扩张状态变量，即x4＝f
′
，h表示集总扰动f
′
的一阶导数，假设扰动和扰动的导数有界且连续。则程控消磁电流源系统的扩张状态方程可以写为：
[0079][0080]
其中，y表示状态方程的输出。
[0081]
基于以上扩张状态方程，为减小待整定观测器参数、简化观测器参数配置，设计三个具有相同参数的级联二阶扩张状态观测器观测集总扰动。定义状态变量为其中，估计x1，估计x2，估计x3，估计集总扰动f
′
，和为级联扩张状态观测器的中间变量。估计误差定义为扩张状态观测器的中间变量。估计误差定义为级联扩张状态观测器的状态方程如下：
[0082][0083]
其中，为线性级联扩张状态观测器的参数，为负载电流x1的观测误差，为负载电流一阶导数x2的观测误差，为负载电流二阶导数x3的观测误差，为集总扰动f
′
的观测误差，为中间变量与上一级扩张状态观测器输出之差。步骤(3)：如图3所示，设计基于级联扩张状态观测器的复合滑模控制器：
[0084]
将级联扩张状态观测器的状态方程和扩张状态方程做差，进一步得到级联扩张状态观测器的误差方程为：
[0085][0086]
令负载电流参考指令为i
ref
，定义跟踪误差向量为选取滑模面s为：
[0087]
s＝c1ξ1+c2ξ2+ξ3[0088]
其中c1、c2为正实数。对上式求导，则有：
[0089][0090]
其中，为负载电流参考的三阶导数。
[0091]
结合系统状态空间表达式，进一步可以得到滑模控制律为：
[0092][0093]
选取指数趋近律为：
[0094][0095]
其中，ε为开关增益，k为趋近速度参数，sgn()为符号函数。
[0096]
将指数趋近律带入控制律中，并且通过级联扩张状态观测器观测的集总扰动被用于补偿滑模控制律中的扰动，则基于级联扩张状态观测器和滑模控制的复合控制律最终设计为：
[0097]

技术特征：
1.一种程控消磁电流源高精度电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、根据基尔霍夫定律建立程控消磁电流源非线性负载下的数学模型，基于该数学模型构建程控消磁电流源的状态空间表达式；步骤2、设计级联扩张状态观测器对程控消磁电流源系统中的集总扰动进行观测，并且通过前馈通道在控制器中对观测的扰动进行补偿；集总扰动包括多种扰动，所述多种扰动包括非线性负载参数时变导致的电流波动、电子元件参数摄动；步骤3、设计基于级联扩张状态观测器和滑模控制相结合的复合控制器，抑制集总扰动对程控消磁电流源输出电流的影响，实现高精度的消磁电流输出。2.根据权利要求1所述的一种程控消磁电流源高精度电流控制方法，其特征在于，所述本步骤1包括：根据基尔霍夫定律，非线性负载下单相全桥逆变器数学模型为：其中，v
dc
、v
in
、v
o
分别为直流母线电压、逆变器输出电压和负载电压，u为控制输入，i
l
、i
c
、i
o
分别为电感电流、电容电流和负载电流，r
e
为逆变器等效电阻，l
f
、c
f
分别为lc滤波器电感和电容，l
l
、r
l
分别为非线性负载的电感和电阻；选取系统状态变量为x1表示负载电流i
o
，x2表示负载电流的一阶导数x3表示负载电流的二阶导数系统状态方程写为：3.根据权利要求2所述的一种程控消磁电流源高精度电流控制方法，其特征在于，所述步骤2中，设计级联扩张状态观测器包括：考虑扰动，系统状态方程进一步写为：其中，δ1、δ2、δ3为系统参数不确定性，w(t)为外部扰动；
则系统状态空间表达式进一步表示为：令集总扰动f'包括参数不确定性、内部未知扰动和外部未知扰动，表示为：f
′
＝f(x1,x2,x3)+w(t)＝-(a1+δ1)x
1-(a2+δ2)x
2-(a3+δ3)x3将集总扰动f
′
作为系统的扩张状态变量，即x4＝f
′
，h表示集总扰动f
′
的一阶导数，假设扰动和扰动的导数有界且连续，则程控消磁电流源系统的扩张状态方程写为：y＝x1其中，y表示状态方程的输出；基于以上扩张状态方程，为减小待整定观测器参数、简化观测器参数配置，设计三个具有相同参数的级联二阶扩张状态观测器观测集总扰动；定义状态变量为其中，估计x1，估计x2，估计x3，估计集总扰动f
′
，和为级联扩张观测器的中间变量；估计误差定义为为级联扩张观测器的中间变量；估计误差定义为级联扩张状态观测器的状态方程如下：其中，为线性级联扩张状态观测器的参数，为负载电流x1的观测误差，为负载电流一阶导数x2的观测误差，为负载电流二阶导数x3的观测误差，为集总扰动f
′
的观测误差，为中间变量与上一级扩张状态观测器输出之差。4.根据权利要求3所述的一种程控消磁电流源高精度电流控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：将级联扩张状态观测器的状态方程和扩张状态方程做差，进一步得到级联扩张状态观测器的误差方程为：
令负载电流参考指令为i
ref
，定义跟踪误差向量为选取滑模面s为：s＝c1ξ1+c2ξ2+ξ3其中，c1、c2为正实数；对上式求导，则有：其中，为负载电流参考的三阶导数；结合系统状态空间表达式，进一步得到滑模控制律为：选取指数趋近律为：其中，ε为开关增益，k为趋近速度参数，sgn()为符号函数；将指数趋近律带入滑模控制律中，并且通过级联扩张状态观测器观测的集总扰动用于补偿滑模控制律中的扰动，则基于级联扩张状态观测器和滑模控制的复合控制律设计为：

技术总结
本发明提出了一种程控消磁电流源高精度电流控制方法。首先，根据基尔霍夫定律建立程控消磁电流源非线性负载下的数学模型，基于该数学模型构建程控消磁电流源的状态空间表达式。然后，针对程控消磁电流源系统中非线性负载参数时变导致的电流波动、电子元件参数摄动等多种扰动，设计级联扩张状态观测器对集总扰动进行观测，并且通过前馈通道对观测的集总扰动进行补偿。最后，设计基于级联扩张状态观测器和滑模控制相结合的复合控制器，抑制集总扰动对程控消磁电流源输出电流的影响，实现高精度的消磁电流输出。本发明实现了非线性负载参数时变等多种扰动存在下的高精度消磁电流输出，从而提高磁屏蔽装置的消磁性能。从而提高磁屏蔽装置的消磁性能。从而提高磁屏蔽装置的消磁性能。


技术研发人员：李海涛 杨思怡 文通 郑世强 张迪 余世城
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/22