文 献 综 述

一.课题研究背景及意义

能源问题是21世纪人类所面临的重大课题之一，在不断开发新能源的同时，为了更有效地利用现有的能源就需要发展先进节能技术和储能技术。飞轮储能作为一种优越的新型储能技术，具有比能量高、比功率大、充电快、体积小、寿命长、无任何废气废料污染等特点。传统的飞轮通过滚珠轴承支撑，轴与轴承之间由于存在机械接触，不可避免地带来轴承磨损、润滑以及振动噪声等问题。采用磁悬浮技术，可以大大提高飞轮系统的寿命，与传统的滚珠轴承飞轮相比，实现了轴与轴承的无接触，消除了机械摩擦，无需润滑系统，低噪声，可超高速工作，对各种恶劣环境有很好的适应性，非常适合于高精度、长寿命姿态控制系统的应用需要。磁悬浮飞轮轴承系统的稳定运转及其性能取决于控制系统，对控制系统的研究一直是磁悬浮轴承领域的热点，H∞控制包含了经典控制和现代控制各自的优点，具有很强的鲁棒性和干扰抑制能力，被认为是最合适的。对磁悬浮飞轮H∞控制的研究对能源问题有着重大的意义。本课题以此为背景，研究磁悬浮飞轮H∞控制。

二.国内外现状

磁悬浮飞轮是一种机电一体化的高技术产品，它涉及到机械设计、磁性材料、控制理论、传感器、电子器件与微处理器、转子动力学、以及高精度的加工制造等众多的工程技术与理论学科。其主要关键技术包括磁轴承结构设计与控制技术。磁悬浮飞轮以磁轴承为基础，磁轴承控制系统作为一个典型的控制系统，磁轴承自身存在着非线性、快速性和不稳定性的特点，因而它一直以来都是各国学者们研究热点。经过长期的探索与实践，很多控制方法均在磁轴承系统上得到了成功的应用，并且得到了良好的控制效果。

磁轴承控制的实现分模拟控制和数字控制两大类。传统的反馈控制系统通常采用PID控制器，比例反馈能够调节磁浮轴承的刚度，微分反馈能够调节阻尼特性，积分环节则用来提供系统的静刚度。PID控制器结构简单，易于调节，可靠性好，应用广泛。但是，随着磁悬浮轴承转速的不断提高和运行工况的不断复杂，简单的PID控制已越来越不能满足工程应用的需要，应由PID控制转变为数字控制。数字控制具有硬件集成度高、控制性能好的优势，现在正逐渐替代传统的模拟控制成为现代磁轴承控制的发展主流。在控制方法方面，经典控制理论与现代控制理论在磁轴承控制中均有广泛的应用。近年来国内外对磁轴承控制方法的研究可归纳为以下几个方面：

（1)PID控制 PID控制器结构简单、调节方便、易于实现，在实际控制系统中获得了非常广泛的应用。为提高控制性能，PID不断与其他控制方法进行结合。刘恒坤[1]提出了一种简单的PID自适应控制方法并将它应用于磁悬浮系统，控制参数随着系统结构参数的改变而改变，使得系统的性能始终保持最优或相对最优。常文森[2]提出了一种非线性PID控制方法，利用位置和速度信号的非线性组合来求取控制量，具有刚度大，抗外力冲击能力强等优势。

(2)最优控制 最优控制通常采用被控系统的输出与控制输入的加权二次型作为性能指标，以便使被控系统的动态响应和控制经济性均得到保证。Akishita[3]等人在研究柔性转子#8212;磁悬浮轴承系统的最优控制时，提出了与转动频率相关的评估函数以降低模态截断对系统稳定性的不良影响。

(3)智能控制 智能控制方法是指基于在线学习和辨识的控制方法，模糊控制，神经网络控制，自适应控制均是典型的智能控制方法。

模糊控制方面，刘淑琴[4]等人提出了一种简单的模糊PD控制器，比传统的PD控制具有更强的鲁棒性，但存在稳态误差无法消除的缺点。刘英英[5]等人提出了一种模糊自适应PID，在系统同时出现参数变化和负载扰动时，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。