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龍圖騰網恭喜南京航空航天大學申請的專利一種面向航空混合推進系統的電機滑模轉速控制器設計方法獲國家發明授權專利權，本發明授權專利權由國家知識產權局授予，授權公告號為：CN115469543B 。

龍圖騰網通過國家知識產權局官網在2025-05-06發布的發明授權授權公告中獲悉：該發明授權的專利申請號/專利號為：202211074874.2，技術領域涉及：G05B13/04；該發明授權一種面向航空混合推進系統的電機滑模轉速控制器設計方法是由肖玲斐;王國強;林聰設計研發完成，并于2022-09-02向國家知識產權局提交的專利申請。

本一種面向航空混合推進系統的電機滑模轉速控制器設計方法在說明書摘要公布了：本發明公開了一種面向航空混合推進系統的電機滑模轉速控制器設計方法，包括以下步驟，對永磁同步推進電機及螺旋槳進行建模，分別列出永磁同步電機在自然坐標系、靜止坐標系、旋轉坐標系的電壓、磁鏈、轉矩方程以及螺旋槳的拉力、扭矩、功率、效率、前進比公式；為提高滑模變量的收斂速度，設計變指數冪次趨近律；設計基于擾動補償的滑模轉速控制器；設計自適應混沌灰狼優化算法；基于MATLABSimulink仿真平臺搭建永磁同步推進電機系統仿真模型。本發明擴張了滑模干擾觀測器對擾動進行估計和補償，并利用改進的自適應混沌灰狼優化算法對控制器及觀測器參數進行尋優。

本發明授權一種面向航空混合推進系統的電機滑模轉速控制器設計方法在權利要求書中公布了：1.一種面向航空混合推進系統的電機滑模轉速控制器設計方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1，對永磁同步推進電機及螺旋槳進行建模，分別列出永磁同步電機在自然坐標系、靜止坐標系、旋轉坐標系的電壓、磁鏈、轉矩方程以及螺旋槳的拉力T、扭矩M、功率PWprop、效率η、前進比公式；所述步驟1包括：步驟1-1，首先建立永磁同步推進電機的數學模型：設理想永磁同步電機模型條件如下：1不考慮趨膚效應、渦流、磁滯損耗和電機鐵心的磁飽和帶來的影響；2定子當中的三相繞組對稱分布，同時忽略三相繞組電流中的各階次諧波影響；3由轉子的永磁體產生的磁鏈大小恒定，三相對稱；則定子三相繞組上產生的感應磁鏈大小為： 其中，ψf為永磁體磁鏈；ψfA、ψfB、ψfC分別為定子A、B、C相繞組上產生的感應磁鏈大小，θ是A相定子繞組和永磁磁鏈的夾角，也叫做轉子位置角；根據基爾霍夫電壓定理，得知永磁同步推進電機的電壓方程為： 其中，uxx＝a,b,c為定子三相繞組電壓；ixx＝a,b,c為定子三相繞組電流；Rs為定子三相繞組的相電阻；ψxx＝a,b,c為定子三相繞組的磁鏈；三相繞組的磁鏈包括兩部分，一部分為永磁磁鏈在繞組中產生的感應磁鏈，另一部分為電樞電流作用產生的電樞磁鏈，表達式如下： 其中，LAA、LBB、LCC分別為定子三相繞組的自感；LAB、LBA、LAC、LCA、LBC、LCB分別為定子三相繞組的互感；電磁轉矩方程為：Te＝-npψf[iasinθ+ibsinθ-2π3+icsinθ+2π34其中，Te為電磁轉矩；np為磁極對數；運動方程為： 其中，ωm為機械角速度；J為轉動慣量；B為阻尼系數；TL為負載轉矩；根據Clark變換，獲得永磁同步推進電機在兩相靜止坐標系下的電壓方程、磁鏈方程及轉矩方程為： Te＝npψfiβcosθ-iαsinθ8其中，uα、uβ、iα、iβ分別為α、β軸上的定子電壓和電流分量；ψα、ψβ為定子磁鏈在α、β軸上的分量；Lα、Lβ為α、β坐標系下的電感；p為微分算子；對于表貼式永磁同步電機有Lα＝Lβ＝Ls；ω為轉子旋轉角速度；Ls為定子電感；根據式6-8，并結合Park坐標變換，獲得在同步旋轉坐標系下永磁同步推進電機的電壓、磁鏈以及轉矩方程為： 其中，ud、uq、id、iq分別為d、q軸上的定子電壓和電流分量；ψd、ψq為定子磁鏈在d、q軸上的分量；Ld、Lq為d、q軸的電感；步驟1-2：螺旋槳建模：螺旋槳的動力學特性包括拉力、拉力系數、轉矩、轉矩系數、功率、功率系數以及效率；根據螺旋槳的氣動力學特性及螺旋槳的結構特點，得知螺旋槳拉力T表示為：T＝Ctρns2D412其中，Ct為拉力系數；ρ為大氣密度；ns為螺旋槳轉速，當與推進電機直連時即為電機轉速；D為螺旋槳直徑；螺旋槳扭矩為螺旋槳在旋轉時需要克服的阻力的力矩大小，螺旋槳扭矩M表示為：M＝CMρns2D513其中，CM為扭矩系數；螺旋槳的功率為螺旋槳從推進電機獲得的功率大小，螺旋槳功率PWprop表示為：PWprop＝Cpρns3D514其中，Cp為功率系數；螺旋槳推進效率η表示為： 其中，V0為空速；螺旋槳前進比λ表示為： 由前面的公式得知，對于定槳距螺旋槳，當結構參數以及飛行條件確定之后，螺旋槳轉矩、功率與轉矩系數、功率系數相關，而轉矩系數與功率系數以及推進效率均與螺旋槳前進比相關；步驟2，滑模控制的目標是使狀態軌跡到達自己設定的滑模切換面，并漸進的收斂到系統原點，為提高滑模變量s的收斂速度，設計變指數冪次趨近律；為提高滑模變量s的收斂速度，設計變指數冪次趨近律： 其中，x為狀態量，其滿足ε＞0,k＞0,0,＜b＜1，αs的表達式為： 其中，p1、q1、p2和q2為正數，且有p1＞q1＞0，p2＞q2＞0；基于VEPRL的滑模收斂過程分為|s|≤1和|s|＞1兩種情況討論，當|s|≤1時，傳統指數趨近率由于s的減小而趨近速度大幅減慢，而式17中有sgn|s|-1＝-1，則變指數項變為k|s|-bs，顯然k|s|-bs＞k|s|bs，此時滑模變量s以直接收斂至零；當系統遠離滑模面時，即|s|＞1，則sign|s|-1＝1、αs＞1，系統依靠和k|sbs共同作用趨近于|s|＝1，然后再以收斂至零；通過加入冪次項αs，使系統遠離滑模面時，能夠保持較快的速度趨近于滑模面，當系統接近滑模面時，保證較小的αs以降低抖振，進而可以保證整體較快的趨近s＝0的速度以及降低抖振；當系統趨近于滑模面時，基于式17所提出的變指數冪次趨近律簡化為它的離散表達式為： 其中，T是采樣周期；當滿足和時，設n時刻有sn＝0+，則： 同樣地，設當n時刻有sn＝0-，則： 基于式20和21得知，離散滑模帶寬為： 步驟3，設計基于擾動補償的滑模轉速控制器；所述步驟3包括：步驟3-1，滑模轉速控制器設計為了便于控制器的設計，對式9進行變換有： 由于表貼式永磁同步推進電機，其有Ld＝Lq，并采用id＝0的轉子磁場重定向控制方法，則轉矩方程11簡化為： 機械運動方程為： 令考慮永磁同步電機模型當中存在干擾及不確定性因素的影響，則機械運動方程表示為： 現取g＝Δaiq-Δbωm-ΔmTL，分別表示系統的內部參數擾動和外界擾動，則式26表示為： 其中，x1＝ωm，為電流內環q軸參考電流，后續將使用自適應律對參數擾動進行估計，并設計擴張滑模干擾觀測器對外部擾動進行估計補償；定義轉速跟蹤誤差為： 其中，表示給定的參考轉速；對式28求導有： 在對轉速控制當中，選取積分滑模面如下： 其中，c為積分系數，滿足c＞0；對滑模面求導有： 將設計的變指數冪次趨近律與式31相結合，并進行相應變換即可得轉速環的q軸輸出參考電流信號： 其中，x＝e；d為基于擴張滑模干擾觀測器的估計進行前饋補償；參數不確定的估計的導數表達式如下： 步驟3-2，擴張滑模干擾觀測器設計為了提高永磁同步電機在存在外界擾動情況下的控制性能，通過設計擴張滑模干擾觀測器在線估計擾動，然后用估計值進行前饋補償；對式25進行擴張表示為： 將電機轉速以及外部擾動作為觀測量，設計擴張滑模干擾觀測器為： 其中，yωe為滑模控制律；g為滑模增益；為電機轉速的估計值；為外部擾動的估計值；將公式36與37相減，得ESMDO的觀測誤差為： 其中，為轉速估計誤差；為擾動估計誤差；然后對ESMDO進行滑模面設計，選取積分滑模面：sω＝eω+c1∫eωdt40其中，c1為積分項系數；對滑模面求導有： 同時選取等速趨近律： 其中，k2＞0為開關增益系數；將edJ作為擾動項，并結合式38、41和42，則ESMDO的干擾估計表示為： 步驟4，設計自適應混沌灰狼優化算法；所述步驟4包括：利用Logistic混沌映射產生灰狼的初始位置，使初始種群均勻分布，以提高初始時刻的收斂速度，在搜索過程中可以通過混沌隨機性和遍歷性避免陷入局部最優解；Logistic映射的映射方程為：uk+1＝auk1-uk59其中，a＝4，此時輸出在[0,1]范圍內分布較廣，設計自適應的收斂因子，用于保持全局和局部勘探能力之間的平衡，其表達式如下： 其中，amin和amax分別表示收斂因子的最小值和最大值，i代表當前迭代次數，N為總迭代次數，n為遞減指數，0＜n≤1；結合粒子群的速度矢量對頭狼及狼群位置進行更新，融合位置和速度之后的更新公式如下所示： Xωk+1＝Xωk+vωk+162其中，c1和c2為加速度常數，也被稱為學習因子；X1、X2和X3分別表示ω狼向α狼、β狼和δ狼的前進距離；選取絕對誤差積分指標作為目標函數： 其中，et為電機轉速跟蹤誤差；步驟5，基于MATLABSimulink仿真平臺搭建永磁同步推進電機系統仿真模型。

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