CN102790580B - 无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器的构造方法，用具有10个输入节点、4个输出节点的支持向量机加6个积分器s^-1构成支持向量机逆，将支持向量机逆置于复合被控对象之前组成伪线性系统，对积分型伪线性子系统分别设计相应的两个位移调节器、一个速度调节器和一个磁链调节器；由四个调节器构成线性闭环控制器；由线性闭环控制器、支持向量机逆、两个Clark逆变换和两个电流跟踪型逆变器共同构成解耦控制器；本发明将多变量、非线性、强耦合时变系统的控制转化为对两个位移二阶积分线性子系统、一个转速一阶积分线性子系统以及一个磁链一阶积分线性子系统的控制，实现对径向力、转速和磁链之间的动态解耦。

Description

无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器的构造方法

技术领域

本发明属于电力传动控制设备的技术领域，是一种无轴承异步电机解耦控制器的构造方法, 适用于无轴承异步电机的高性能控制。无轴承异步电机集成了磁轴承和异步电机的优点，在压缩机、离心机、机电贮能、涡轮分子泵、机床电主轴、航空航天等特殊电力传动领域具有广泛的应用前景。

背景技术

无轴承异步电机不仅具有气隙均匀，结构简单，坚固可靠，成本低等一系列优点，而且具有宽弱磁范围、齿槽脉动转矩低等特点，是最具研究前途的无轴承电机之一。然而无轴承异步电机具有十分复杂的电磁关系，是一个多变量、强耦合的非线性系统，其径向力、转速、和磁链之间存在着复杂的耦合关系，要实现无轴承异步电机的稳定悬浮运行，以及在不同工况下的无级调速，必须对无轴承异步电机进行非线性解耦控制。

目前无轴承异步电机主要采用矢量控制，矢量控制是从电机电磁场理论出发,利用坐标变换,将无轴承异步电机模型等效为类似于直流电机的模型来进行控制。然而,矢量控制只能实现径向力、转速、和磁链之间的静态解耦控制,其动态响应性能还不能令人满意。为提高无轴承异步电机控制的动态性能,逆系统控制方法也被用于无轴承异步电机的控制,但其线性化解耦的实现,要求获得被控对象精确数学模型。而无轴承异步电机作为一个复杂的非线性系统,转子参数随各种工况变化十分显著,使逆系统方法难以在实际中真正得到应用。神经网络逆方法虽然解决了逆系统方法的不足，但神经网络逆控制方法存在局部极小问题，学习速度慢，训练时间长、理想样本提取困难、网络结构不易优化等缺陷，使得基于神经网络逆方法的无轴承异步电机解耦控制效果不佳。

为了从本质上改善无轴承异步电机对参数变化及扰动的鲁棒性和适应性，实现无轴承异步电机的径向力、转速和磁链的解耦控制，进而提高无轴承异步电机的悬浮运行性能，实现真正的高性能解耦运行，需采用新的控制技术和新的控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种既可实现负载条件下无轴承异步电机径向力、转速和磁链之间非线性解耦控制，又能有效地提高无轴承异步电机的各项控制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度及参数鲁棒性的无轴承异步电机支持向量机逆控制器的构造方法。

本发明的技术方案是采用如下步骤：1）先将两个Clark逆变换分别串接在相应的两个电流跟踪型逆变器之前，再将两个电流跟踪型逆变器分别串接在无轴承异步电机及其负载模型之前，共同作为一个整体组成复合被控对象；2）用具有10个输入节点、4个输出节点的支持向量机加6个积分器s ^-1构成支持向量机逆，其中：支持向量机的第一个输入为支持向量机逆的第一个输入，其经第一个积分器s ^-1的输出为支持向量机的第二个输入，再经第二个积分器为支持向量机的第三个输入，支持向量机的第四个输入为支持向量机逆的第二个输入，其经第三个积分器s ^-1的输出为支持向量机的第五个输入，再经第四个积分器为支持向量机的第六个输入，支持向量机的第七个输入为支持向量机逆的第三个输入，其经第五个积分器s ^-1的输出为支持向量机的第八个输入，支持向量机的第九个输入为支持向量机逆的第四个输入，其经第六个积分器s ^-1的输出为支持向量机的第十个输入，支持向量机的输出是支持向量机逆的输出；3）调整支持向量机的向量系数和阈值，将支持向量机逆置于复合被控对象之前组成伪线性系统，伪线性系统等效为两个位移二阶积分型伪线性子系统、一个速度一阶积分型伪线性子系统以及一个磁链一阶积分型伪线性子系统；4）采用PID调节器设计方法对四个所述积分型伪线性子系统分别设计相应的两个位移调节器、一个速度调节器和一个磁链调节器；并由四个所述调节器构成线性闭环控制器；5）将线性闭环控制器串接在支持向量机逆之前、支持向量机逆串接在复合被控对象之前，由线性闭环控制器、支持向量机逆、两个Clark逆变换和两个电流跟踪型逆变器共同构成无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器。

本发明的有益效果

1．通过构造支持向量机逆，将无轴承异步电机这一多变量、非线性、强耦合时变系统的控制转化为对两个位移二阶积分线性子系统、一个转速一阶积分线性子系统以及一个磁链一阶积分线性子系统的控制，利用PID调节器方法设计线性闭环控制器，从而实现了对径向力、转速和磁链之间的动态解耦，因而可以实现独立地对无轴承异步电机的位移系统、转速以及磁链的控制，获得无轴承异步电机的高性能运行控制。

2．用支持向量机加积分器来实现复合被控对象的逆系统，构造支持向量机逆控制器来实现对无轴承异步电机的控制，完全摆脱了传统的逆系统控制方法对数学模型的依赖性，弥补了基于逆系统控制方法中对无轴承异步电机的数学模型要求严格以及系统参数的不稳定所带来的系统控制存在误差的不足，能更好地实现径向力、转速和磁链之间的动态解耦控制，有效减小电机参数变化与负载扰动对无轴承异步电机性能的影响，显著地提高了无轴承异步电机的性能指标。

3、本发明基于支持向量机逆构造的无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器，实现无轴承异步电机径向力、转速和磁链的独立控制,实现无轴承异步电机稳定悬浮运行，提高无轴承异步电机控制性能，而且适用于其它类型的无轴承电机控制系统，以及适用于磁轴承支承的各种类型电机控制系统。这种基于支持向量机逆构造的无轴承异步电机支持向量机逆控制器在其它类型的无轴承电机中也具有非常广阔的应用价值。

附图说明

图1是由两个Clark逆变换11、12、两个电流型跟踪逆变器13、14和无轴承异步电机及其负载模型15组成的复合被控对象16；

图2是支持向量机逆22的构成图；

图3是支持向量机逆22与复合被控对象16复合构成的伪线性系统31的示意图及其等效图；

图4线性闭环控制器41与伪线性系统31的连接图，其中伪线性系统31包括二个位移子系统、一个转速子系统以及一个磁链子系统；线性闭环控制器包括二个位移调节器42、43、一个速度控制器44以及一个磁链控制器45；

图5是线性闭环控制器41和支持向量机逆22的连接图；

图6是无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器51的总构成框图。

具体实施方式

本发明的实施方案是：首先基于无轴承异步电机样机本体，然后由两个Clark逆变换、两个电流跟踪型逆变器和无轴承异步电机负载作为一个整体组成复合被控对象，该复合被控对象等效为一个6阶微分方程模型，系统向量的相对阶为{2,2,1,1}。采用10个输入节点、4个输出节点的支持向量机加6个积分器s ^-1构成具有10个输入节点、4个输出节点的复合被控对象的支持向量机逆。再将支持向量机逆串接在复合被控对象之前，支持向量机逆与复合被控对象合成为两个位移二阶积分子系统、一个转速一阶积分子系统和一个磁链一阶积分子系统，从而将一个复杂的多变量、非线性、强耦合的控制系统转化为两个二阶积分子系统和两个一阶积分子系统的控制。对于已经线性化解耦的两个二阶积分子系统和两个一阶积分子系统，采用PID调节器设计方法，分别设计两个位移调节器、一个转速控制器以及一个磁链调节器，由位移调节器、转速调节器和磁链调节器共同组成线性闭环控制器。最终构成由线性闭环控制器、支持向量机逆、两个Clark逆变换、两个电流跟踪逆变器组成的支持向量机逆控制器，对无轴承异步电机进行非线性动态解耦控制。

具体的实施分以下7步：

1. 先将两个Clark逆变换11、12分别串接在相应的两个电流跟踪型逆变器13、14之前，即，Clark逆变换11串接在电流跟踪型逆变器13之前，Clark逆变换12串接在电流跟踪型逆变器14之前，再将两个电流跟踪型逆变器13、14分别串接在无轴承异步电机及其负载模型15之前，共同作为一个整体组成复合被控对象16，如图1所示。该复合被控对象以                                                四个电流信号作为输入，以位移x、y，转速，以及磁链作为输出。

2. 通过分析、等效与推导，为支持向量机逆的构造与学习训练提供方法上的根据。首先建立复合被控对象的数学模型，基于无轴承异步电机工作原理，建立无轴承异步电机数学模型，经过Clark变换和线性放大，得到复合被控对象的数学模型，即一个6阶微分方程，其向量相对阶为{2,2,1,1}。经推导可以证明该6阶微分方程可逆，即逆系统存在，并可确定其逆系统的四个输入为两个位移的二阶导数、一个转速的一阶导数以及一个磁链的一阶导数，四个输出分别为复合被控系统的四个输入。从而可以构造出支持向量机逆，如图2所示。为学习训练提供了方法上的根据。

3. 采用支持向量机21加6个积分器构造支持向量机逆22。其中支持向量机21的输入节点数为10，输出层节点数为4，支持向量机21的向量系数和阈值将在下一步的离线学习中确定。接着采用具有10个输入节点、4个输出节点的支持向量机加6个积分器s ^-1构成支持向量机逆22，其中：支持向量机21的第一个输入为支持向量机逆22的第一个输入，其经第一个积分器s ^-1的输出为支持向量机21的第二个输入，再经第二个积分器为支持向量机21的第三个输入；支持向量机21的第四个输入为支持向量机逆22的第二个输入，其经第三个积分器s ^-1的输出为支持向量机21的第五个输入，再经第四个积分器为支持向量机21的第六个输入；支持向量机21的第七个输入为支持向量机逆22的第三个输入，其经第五个积分器s ^-1的输出为支持向量机21的第八个输入；支持向量机21的第九个输入为支持向量机逆22的第四个输入，其经第六个积分器s ^-1的输出为支持向量机21的第十个输入。支持向量机21与六个积分器一道组成支持向量机逆22，支持向量机21的输出就是支持向量机逆的输出。

4. 按如下方法调整并确定支持向量机21的向量系数和阈值：1) 将阶跃激励信号加到复合被控对象的输入端，采集无轴承异步电机的位移x、y；转子的转速以及磁链。2) 将位移x、y离线分别求其一阶和二阶导数，转速 _r 求其一阶导数，磁链求其一阶导数，并对信号做规范化处理，组成支持向量机的训练样本集{,,,,,,,,,,,,,}。3)选取高斯核函数为支持向量机的核函数，并且支持向量机的正则化参数设定为560，核宽度设定为1.4，从而离线调整支持向量机21的向量系数和阈值。

5. 形成两个位移子系统、一个转速子系统和一个磁链子系统。由支持向量机21与6个积分器构成支持向量机逆22，将支持向量机逆22置于复合被控对象16之前，与复合被控对象16串连组成伪线性系统31，该伪线性系统31等效为两个位移二阶积分型伪线性子系统、一个转速一阶积分型伪线性子系统以及一个磁链一阶积分型伪线性子系统。从而实现径向力、转速和磁链之间的非线性动态解耦，把复杂非线性系统控制转化为简单的四个单变量线性系统的控制，如图3所示。

6. 如图5、图6所示，设计线性闭环控制器。对两个位移二阶积分型伪线性子系统、一个转速一阶积分型伪线性子系统以及一个磁链一阶积分型伪线性子系统采用PID调节器设计方法分别设计调节器，分别设计相应的两个位移调节器42、43、一个速度调节器44和一个磁链调节器45，由四个所述调节器构成线性闭环控制器41，如图4所示。在本发明实施过程中，根据无轴承异步电机参数来选择和调整调节器参数，两个位移调节器42、43均选用了PD调节器，一个速度调节器44和和一个磁链调节器45均选用了PI调节器。如整定后两个位移调节器42、43传递函数为：，一个速度调节器44和和一个磁链调节器45传递函数分别为和， 如图5、图6所示。

7. 图6，构成支持向量机逆控制器。将线性闭环控制器41串接在支持向量机逆22之前，将支持向量机逆22串接在复合被控对象16之前，由线性闭环控制器41、支持向量机逆22、两个Clark逆变换11、12和两个电流跟踪型逆变器13、14共同构成无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器51，将支持向量机逆22与串接在复合被控对象16的两个Clark逆变换11、12之前。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (1)

1.一种无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器的构造方法，其特征在于采用如下步骤：

1）先将两个Clark逆变换（11、12）分别串接在相应的两个电流跟踪型逆变器（13、14）之前，再将两个电流跟踪型逆变器（13、14）分别串接在无轴承异步电机及其负载模型（15）之前，共同作为一个整体组成复合被控对象（16）；

2）用具有10个输入节点、4个输出节点的支持向量机（21）加6个积分器s ^-1构成支持向量机逆（22），其中：支持向量机（21）的第一个输入为支持向量机逆（22）的第一个输入，其经第一个积分器s ^-1的输出为支持向量机（21）的第二个输入，再经第二个积分器为支持向量机（21）的第三个输入，支持向量机（21）的第四个输入为支持向量机逆（22）的第二个输入，其经第三个积分器s ^-1的输出为支持向量机（21）的第五个输入，再经第四个积分器为支持向量机（21）的第六个输入，支持向量机（21）的第七个输入为支持向量机逆（22）的第三个输入，其经第五个积分器s ^-1的输出为支持向量机（21）的第八个输入，支持向量机（21）的第九个输入为支持向量机逆（22）的第四个输入，其经第六个积分器s ^-1的输出为支持向量机（21）的第十个输入，支持向量机（21）的输出是支持向量机逆（22）的输出；

3）调整支持向量机（21）的向量系数和阈值，将支持向量机逆（22）置于复合被控对象（16）之前组成伪线性系统（31），伪线性系统（31）等效为两个位移二阶积分型伪线性子系统、一个速度一阶积分型伪线性子系统以及一个磁链一阶积分型伪线性子系统；

支持向量机（21）的向量系数和阈值的确定方法为：将阶跃激励信号                                                加到复合被控对象（16）的输入端；采集无轴承异步电机的径向位移x、y，转速以及磁链，将位移x、y离线分别求其二阶导数，转速求其一阶导数，磁链求其一阶导数，并对信号做规范化处理，组成支持向量机（21）的训练样本集{,,,,,,,,,,,,,}，并选取高斯核函数作为支持向量机（21）的核函数，设定正则化参数为560，核宽度为1.4，对支持向量机（21）进行训练，从而确定支持向量机（21）的向量系数和阈值；

4）采用PID调节器设计方法对四个所述积分型伪线性子系统分别设计相应的两个位移调节器（42、43）、一个速度调节器（44）和一个磁链调节器（45）；并由四个所述调节器构成线性闭环控制器（41）；

5）将线性闭环控制器（41）串接在支持向量机逆（22）之前、支持向量机逆（22）串接在复合被控对象（16）之前，由线性闭环控制器（41）、支持向量机逆（22）、两个Clark逆变换（11、12）和两个电流跟踪型逆变器（13、14）共同构成无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器（51）。