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龙图腾网恭喜南京航空航天大学申请的专利一种面向航空混合推进系统的电机滑模转速控制器设计方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN115469543B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-05-06发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202211074874.2，技术领域涉及：G05B13/04；该发明授权一种面向航空混合推进系统的电机滑模转速控制器设计方法是由肖玲斐;王国强;林聪设计研发完成，并于2022-09-02向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种面向航空混合推进系统的电机滑模转速控制器设计方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种面向航空混合推进系统的电机滑模转速控制器设计方法，包括以下步骤，对永磁同步推进电机及螺旋桨进行建模，分别列出永磁同步电机在自然坐标系、静止坐标系、旋转坐标系的电压、磁链、转矩方程以及螺旋桨的拉力、扭矩、功率、效率、前进比公式；为提高滑模变量的收敛速度，设计变指数幂次趋近律；设计基于扰动补偿的滑模转速控制器；设计自适应混沌灰狼优化算法；基于MATLABSimulink仿真平台搭建永磁同步推进电机系统仿真模型。本发明扩张了滑模干扰观测器对扰动进行估计和补偿，并利用改进的自适应混沌灰狼优化算法对控制器及观测器参数进行寻优。

本发明授权一种面向航空混合推进系统的电机滑模转速控制器设计方法在权利要求书中公布了：1.一种面向航空混合推进系统的电机滑模转速控制器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，对永磁同步推进电机及螺旋桨进行建模，分别列出永磁同步电机在自然坐标系、静止坐标系、旋转坐标系的电压、磁链、转矩方程以及螺旋桨的拉力T、扭矩M、功率PWprop、效率η、前进比公式；所述步骤1包括：步骤1-1，首先建立永磁同步推进电机的数学模型：设理想永磁同步电机模型条件如下：1不考虑趋肤效应、涡流、磁滞损耗和电机铁心的磁饱和带来的影响；2定子当中的三相绕组对称分布，同时忽略三相绕组电流中的各阶次谐波影响；3由转子的永磁体产生的磁链大小恒定，三相对称；则定子三相绕组上产生的感应磁链大小为： 其中，ψf为永磁体磁链；ψfA、ψfB、ψfC分别为定子A、B、C相绕组上产生的感应磁链大小，θ是A相定子绕组和永磁磁链的夹角，也叫做转子位置角；根据基尔霍夫电压定理，得知永磁同步推进电机的电压方程为： 其中，uxx＝a,b,c为定子三相绕组电压；ixx＝a,b,c为定子三相绕组电流；Rs为定子三相绕组的相电阻；ψxx＝a,b,c为定子三相绕组的磁链；三相绕组的磁链包括两部分，一部分为永磁磁链在绕组中产生的感应磁链，另一部分为电枢电流作用产生的电枢磁链，表达式如下： 其中，LAA、LBB、LCC分别为定子三相绕组的自感；LAB、LBA、LAC、LCA、LBC、LCB分别为定子三相绕组的互感；电磁转矩方程为：Te＝-npψf[iasinθ+ibsinθ-2π3+icsinθ+2π34其中，Te为电磁转矩；np为磁极对数；运动方程为： 其中，ωm为机械角速度；J为转动惯量；B为阻尼系数；TL为负载转矩；根据Clark变换，获得永磁同步推进电机在两相静止坐标系下的电压方程、磁链方程及转矩方程为： Te＝npψfiβcosθ-iαsinθ8其中，uα、uβ、iα、iβ分别为α、β轴上的定子电压和电流分量；ψα、ψβ为定子磁链在α、β轴上的分量；Lα、Lβ为α、β坐标系下的电感；p为微分算子；对于表贴式永磁同步电机有Lα＝Lβ＝Ls；ω为转子旋转角速度；Ls为定子电感；根据式6-8，并结合Park坐标变换，获得在同步旋转坐标系下永磁同步推进电机的电压、磁链以及转矩方程为： 其中，ud、uq、id、iq分别为d、q轴上的定子电压和电流分量；ψd、ψq为定子磁链在d、q轴上的分量；Ld、Lq为d、q轴的电感；步骤1-2：螺旋桨建模：螺旋桨的动力学特性包括拉力、拉力系数、转矩、转矩系数、功率、功率系数以及效率；根据螺旋桨的气动力学特性及螺旋桨的结构特点，得知螺旋桨拉力T表示为：T＝Ctρns2D412其中，Ct为拉力系数；ρ为大气密度；ns为螺旋桨转速，当与推进电机直连时即为电机转速；D为螺旋桨直径；螺旋桨扭矩为螺旋桨在旋转时需要克服的阻力的力矩大小，螺旋桨扭矩M表示为：M＝CMρns2D513其中，CM为扭矩系数；螺旋桨的功率为螺旋桨从推进电机获得的功率大小，螺旋桨功率PWprop表示为：PWprop＝Cpρns3D514其中，Cp为功率系数；螺旋桨推进效率η表示为： 其中，V0为空速；螺旋桨前进比λ表示为： 由前面的公式得知，对于定桨距螺旋桨，当结构参数以及飞行条件确定之后，螺旋桨转矩、功率与转矩系数、功率系数相关，而转矩系数与功率系数以及推进效率均与螺旋桨前进比相关；步骤2，滑模控制的目标是使状态轨迹到达自己设定的滑模切换面，并渐进的收敛到系统原点，为提高滑模变量s的收敛速度，设计变指数幂次趋近律；为提高滑模变量s的收敛速度，设计变指数幂次趋近律： 其中，x为状态量，其满足ε＞0,k＞0,0,＜b＜1，αs的表达式为： 其中，p1、q1、p2和q2为正数，且有p1＞q1＞0，p2＞q2＞0；基于VEPRL的滑模收敛过程分为|s|≤1和|s|＞1两种情况讨论，当|s|≤1时，传统指数趋近率由于s的减小而趋近速度大幅减慢，而式17中有sgn|s|-1＝-1，则变指数项变为k|s|-bs，显然k|s|-bs＞k|s|bs，此时滑模变量s以直接收敛至零；当系统远离滑模面时，即|s|＞1，则sign|s|-1＝1、αs＞1，系统依靠和k|sbs共同作用趋近于|s|＝1，然后再以收敛至零；通过加入幂次项αs，使系统远离滑模面时，能够保持较快的速度趋近于滑模面，当系统接近滑模面时，保证较小的αs以降低抖振，进而可以保证整体较快的趋近s＝0的速度以及降低抖振；当系统趋近于滑模面时，基于式17所提出的变指数幂次趋近律简化为它的离散表达式为： 其中，T是采样周期；当满足和时，设n时刻有sn＝0+，则： 同样地，设当n时刻有sn＝0-，则： 基于式20和21得知，离散滑模带宽为： 步骤3，设计基于扰动补偿的滑模转速控制器；所述步骤3包括：步骤3-1，滑模转速控制器设计为了便于控制器的设计，对式9进行变换有： 由于表贴式永磁同步推进电机，其有Ld＝Lq，并采用id＝0的转子磁场重定向控制方法，则转矩方程11简化为： 机械运动方程为： 令考虑永磁同步电机模型当中存在干扰及不确定性因素的影响，则机械运动方程表示为： 现取g＝Δaiq-Δbωm-ΔmTL，分别表示系统的内部参数扰动和外界扰动，则式26表示为： 其中，x1＝ωm，为电流内环q轴参考电流，后续将使用自适应律对参数扰动进行估计，并设计扩张滑模干扰观测器对外部扰动进行估计补偿；定义转速跟踪误差为： 其中，表示给定的参考转速；对式28求导有： 在对转速控制当中，选取积分滑模面如下： 其中，c为积分系数，满足c＞0；对滑模面求导有： 将设计的变指数幂次趋近律与式31相结合，并进行相应变换即可得转速环的q轴输出参考电流信号： 其中，x＝e；d为基于扩张滑模干扰观测器的估计进行前馈补偿；参数不确定的估计的导数表达式如下： 步骤3-2，扩张滑模干扰观测器设计为了提高永磁同步电机在存在外界扰动情况下的控制性能，通过设计扩张滑模干扰观测器在线估计扰动，然后用估计值进行前馈补偿；对式25进行扩张表示为： 将电机转速以及外部扰动作为观测量，设计扩张滑模干扰观测器为： 其中，yωe为滑模控制律；g为滑模增益；为电机转速的估计值；为外部扰动的估计值；将公式36与37相减，得ESMDO的观测误差为： 其中，为转速估计误差；为扰动估计误差；然后对ESMDO进行滑模面设计，选取积分滑模面：sω＝eω+c1∫eωdt40其中，c1为积分项系数；对滑模面求导有： 同时选取等速趋近律： 其中，k2＞0为开关增益系数；将edJ作为扰动项，并结合式38、41和42，则ESMDO的干扰估计表示为： 步骤4，设计自适应混沌灰狼优化算法；所述步骤4包括：利用Logistic混沌映射产生灰狼的初始位置，使初始种群均匀分布，以提高初始时刻的收敛速度，在搜索过程中可以通过混沌随机性和遍历性避免陷入局部最优解；Logistic映射的映射方程为：uk+1＝auk1-uk59其中，a＝4，此时输出在[0,1]范围内分布较广，设计自适应的收敛因子，用于保持全局和局部勘探能力之间的平衡，其表达式如下： 其中，amin和amax分别表示收敛因子的最小值和最大值，i代表当前迭代次数，N为总迭代次数，n为递减指数，0＜n≤1；结合粒子群的速度矢量对头狼及狼群位置进行更新，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为加速度常数，也被称为学习因子；X1、X2和X3分别表示ω狼向α狼、β狼和δ狼的前进距离；选取绝对误差积分指标作为目标函数： 其中，et为电机转速跟踪误差；步骤5，基于MATLABSimulink仿真平台搭建永磁同步推进电机系统仿真模型。

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