CN102801382B - 五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器的构造方法，用具有19个输入节点、7个输出节点的支持向量机加12个积分器构成具有7个输入节点、7个输出节点的支持向量机逆，将支持向量机逆置于复合被控对象之前组成伪线性系统；伪线性系统等效为5个位置二阶积分型的伪线性子系统、1个转速一阶积分型的伪线性子系统和1个磁链一阶积分型的伪线性子系统，分别设计相应的控制器，构成线性闭环控制器；由线性闭环控制器、支持向量机逆、三个Clark逆变换、三个电流跟踪型逆变器和一个线性功率放大器共同构成支持向量机逆控制器，实现悬浮力、转速和磁链之间的非线性动态解耦控制。

Description

五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器的构造方法

技术领域

本发明是一种五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器的构造方法，属于电力传动控制设备的技术领域。无轴承异步电机在离心机、密封泵、航空航天、数控机床、飞轮储能、生命科学等众多高速、超高速特种电气传动领域具有广阔的应用前景。

背景技术

利用磁轴承与电机结构的相似性，把磁轴承悬浮绕组（线圈）嵌放在电机的定子绕组中，使两种磁场合成一体，并且能同时独立控制电机转子的旋转和悬浮。无轴承电机正是基于这一设想而提出的，无轴承电机种类很多，其中结构简单、易于弱磁、可靠性高的无轴承异步电机尤其受到广泛重视。

五自由度无轴承异步电机由1台二自由度无轴承异步电机和1个三自由度混合磁轴承构成，是多变量、强耦合的非线性复杂系统，要实现其稳定悬浮运行，必须进行非线性动态解耦控制。

基于无轴承异步电机转矩绕组矢量控制方法，可以实现五自由度无轴承异步电机的稳定悬浮控制，但是这种控制是一种稳态解耦控制，由于忽略了系统各个变量之间的耦合作用，无法满足五自由度无轴承异步电机高速高精的运行要求。因此采用逆系统方法对五自由度无轴承异步电机控制系统进行动态解耦，但其动态解耦的实现，必须获得被控对象精确数学模型。而五自由度无轴承异步电机是一个复杂的非线性系统，电机参数在各种工况下变化十分显著，加之存在磁路饱和、定转子偏心时悬浮力的变化、负载扰动等影响，再加上转子偏心时径向力的变化、负载扰动的存在以及磁饱和的影响，使逆系统方法在实际应用中遇到了瓶颈。神经网络逆方法虽然解决了逆系统方法中逆模型难以求取的棘手问题，但由于神经网络学习速度慢、训练时间长、存在局部极小问题、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五自由度无轴承异步电机解耦控制效果不理想。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有的技术缺陷而提供的一种基于支持向量机逆的五自由度无轴承异步电机解耦控制器的构造方法，该控制器既可以实现转速和悬浮力之间的动态解耦控制，又可以有效提高五自由度无轴承异步电机的各项控制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度及鲁棒性。

本发明采用的技术方案是采用如下步骤：1）先将三个Clark逆变换分别串接在三个电流跟踪型逆变器之前，再将三个电流跟踪型逆变器和一个线性功率放大器分别串接在五自由度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19个输入节点、7个输出节点的支持向量机加12个积分器                                                构成具有7个输入节点、7个输出节点的支持向量机逆，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，其经第五个积分器的输出为支持向量机的第八个输入，再经第六个积分器为支持向量机的第九个输入；支持向量机的第十个输入为支持向量机逆的第四个输入，其经第七个积分器的输出为支持向量机的第十一个输入，再经第八个积分器为支持向量机的第十二个输入；支持向量机第十三个输入为支持向量机逆的第五个输入，其经第九个积分器的输出为支持向量机的第十四个输入，再经第十个积分器的输出为支持向量机的第十五个输入；支持向量机第十六个输入为支持向量机逆的第六个输入，其经第十一个积分器的输出为支持向量机的第十七个输入；支持向量机第十八个输入为支持向量机逆的第七个输入，其经第十二个积分器的输出为支持向量机的第十九个输入；支持向量机与12个积分器一起组成支持向量机逆，支持向量机的输出就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使支持向量机逆实现复合被控对象的逆系统功能，将支持向量机逆置于复合被控对象之前组成伪线性系统；4）伪线性系统等效为7个解耦的积分线性子系统，分别为5个位置二阶积分型的伪线性子系统、1个转速一阶积分型的伪线性子系统和1个磁链一阶积分型的伪线性子系统；对7个解耦的积分子系统分别设计相应的5个转子位置控制器、1个转速控制器）和1个磁链控制器，并由5个转子位置控制器、1个转速控制器和1个磁链控制器构成线性闭环控制器；5）将线性闭环控制器、支持向量机逆和复合被控对象依次串接，由线性闭环控制器、支持向量机逆、三个Clark逆变换、三个电流跟踪型逆变器和一个线性功率放大器共同构成五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器。

本发明的有益效果是：

1、针对五自由度无轴承异步电机这一多变量、非线性、强耦合的时变复杂系统，采用支持向量机辨识复合被控对象的逆模型，构造支持向量机逆，将原系统的控制转化为对五个转子位置二阶积分线性子系统、一个转速一阶积分线性子系统和一个磁链一阶积分线性子系统的控制，实现了悬浮力、转速和磁链之间的非线性动态解耦控制。

2、针对解耦线性化后得到的五个转子位置二阶积分线性子系统、一个转速一阶积分线性子系统和一个磁链一阶积分线性子系统，进一步采用PID、线性最优二次型调节器、极点配置或鲁棒伺服调节器等设计方法设计线性闭环控制器，可以获得五自由度无轴承异步电机的优良的静、动态控制性能。

3、采用支持向量机加积分器构造支持向量机逆控制器来实现对五自由度无轴承异步电机的动态解耦控制，完全摆脱了逆系统方法对数学模型的依赖性，有效地减小了定转子偏心时悬浮力变化、电机参数时变与负载扰动对五自由度无轴承异步电机性能的影响，显著提高了五自由度无轴承异步电机的静、动态控制性能。而且支持向量机在经验风险最小化的基础上同时采用了结构化风险最小化准则，不存在维数灾难和局部极小问题，推广性能较好，解决了学习中的“过学习”现象，具有很强的泛化能力，并利用最优化方法解决机器学习问题，成为现阶段克服“维数灾难”的有力工具，同时又能很好地解决小样本、非线性、高维模式识别、局部极小点等实际问题。

4、本发明基于支持向量机逆构造的五自由度无轴承异步电机解耦控制器，实现了悬浮力转速和磁链的独立控制，提高了五自由度无轴承异步电机静、动态控制性能，而且同样适用于其它类型的五自由无轴承电机控制系统，以及适用于五自由磁轴承支承的各类电机控制系统。

附图说明

图1是复合被控对象32的等效图；

图2是支持向量机逆42的构成图；

图3是伪线性系统51的等效图；

图4由线性闭环控制器61与伪线性系统51的连接图；

图5由线性闭环控制器61、支持向量机逆42和复合被控对象32的连接图；

图6是五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器71的构造结构总图。

图中：11、12、13.Clark逆变换；21、22、23.电流跟踪型逆变器；24.线性功率放大器；31.五自由度无轴承异步电机及其负载模型；32.复合被控对象；41.支持向量机；42.支持向量机逆；51.伪线性系统；61.线性闭环控制器；62、63、64、65、66.转子位置控制器；67.转速控制器；68.磁链控制器；71.五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器。

具体实施方式

本发明的实施方案是：首先将三个Clark逆变换、三个电流跟踪型逆变器、一个线性功率放大器与五自由度无轴承异步电机及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静止坐标系下的12阶微分方程模型，系统向量的相对阶为{2,2,2,2,2,1,1}。采用19个输入节点、7个输出节点的支持向量机加12个积分器构成具有7个输入节点、7个输出节点的复合被控对象的支持向量机逆。并通过调整支持向量机的向量系数和阈值使支持向量机逆实现复合被控对象的逆系统功能。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复合成由五个二阶积分型位置子系统、一个一阶积分型转速子系统和一个一阶积分型磁链子系统，从而将一个非线性、强耦合的多输入多输出复杂系统的控制转化为五个二阶积分子系统和两个一阶积分子系统的控制。对线性化解耦的五个二阶积分子系统和两个一阶积分子系统，采用鲁棒伺服调节器等设计方法设计五个位置控制器、一个转速控制器和一个磁链控制器，位置控制器、转速控制器和磁链控制器共同组成线性闭环控制器。最终构成由支持向量机逆、线性闭环控制器、三个Clark逆变换、三个电流跟踪逆变器和一个线性功率放大器组成的支持向量机逆控制器，对五自由度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、将三个Clark逆变换11、12、13分别串接在相应的三个电流跟踪型逆变器之前21、22、23，再将三个电流跟踪型逆变器21、22、23和一个线性功率放大器24分别串接在五自由度无轴承异步电机及其负载模型31之前，共同作为一个整体组成复合被控对象，如图1所示。该复合被控对象32以{,,,,,,}7个电流信号作为输入，转子五个自由度上的位置、、、、、转速和磁链为输出。

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。首先基于五自由度无轴承异步电机工作原理，建立五自由度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，即静止坐标系下12阶微分方程，其向量相对阶为{2,2,2,2,2,1,1}。经推导可以证明该12阶微分方程可逆，即逆系统存在，并可确定其逆系统的7个输入为五个位置坐标的二阶导数、一个转速的一阶导数和一个磁链的一阶导数，7个输出分别为复合被控系统的七个输入。从而可以构造出支持向量机逆（42），为学习训练提供了方法上的根据。

3、如图2所示，采用支持向量机41加12个积分器构造支持向量机逆42。其中支持向量机41的输入节点数为19，输出节点数为7，支持向量机41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19个输入节点、7个输出节点的支持向量机41加12个积分器构成，其中：支持向量机41的第一个输入为支持向量机逆42的第一个输入，其经第一个积分器的输出为支持向量机41的第二个输入，再经第二个积分器为支持向量机41的第三个输入；支持向量机41的第四个输入为支持向量机逆的第二个输入，其经第三个积分器的输出为支持向量机41的第五个输入，再经第四个积分器为支持向量机41的第六个输入；支持向量机41的第七个输入为支持向量机逆的第三个输入，其经第五个积分器的输出为支持向量机41的第八个输入，再经第六个积分器为支持向量机41的第九个输入；支持向量机41的第十个输入为支持向量机逆42的第四个输入，其经第七个积分器的输出为支持向量机41的第十一个输入，再经第八个积分器为支持向量机41的第十二个输入；支持向量机41第十三个输入为支持向量机逆的第五个输入，其经第九个积分器的输出为支持向量机41的第十四个输入，再经第十个积分器的输出为支持向量机41的第十五个输入；支持向量机41第十六个输入为支持向量机逆42的第六个输入，其经第十一个积分器的输出为支持向量机41的第十七个输入；支持向量机41第十八个输入为支持向量机逆42的第七个输入，其经第十二个积分器的输出为支持向量机41的第十九个输入。支持向量机41与12个积分器一起组成支持向量机逆42，支持向量机41的输出就是支持向量机逆42的输出。

4、调整支持向量机41的向量系数和阈值：①将阶跃激励信号：{,,,,,,}，加到复合被控对象32的输入端，如图3。采集五自由度无轴承异步电机的转子位移、、、、、转速和磁链。②将转子位移、、、、离线分别求其一阶和二阶导数，转速和磁链分别求其一阶导数，并对信号做规范化处理，组成支持向量机训练样本集：{,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,}。③选取高斯核函数为支持向量机41的核函数，并且支持向量机41的正则化参数设定为1300，核宽度为1.8，从而离线调整支持向量机41的向量系数和阈值，实现复合被控对象32的逆系统功能。

5、如图3所示，将支持向量机逆42置于复合被控对象32之前组成伪线性系统51，伪线性系统51等效为7个解耦的积分线性子系统，分别为5个位置二阶积分型的伪线性子系统、1个转速一阶积分型的伪线性子系统和1个磁链一阶积分型的伪线性子系统；从而达到悬浮力、转速和磁链之间的动态解耦，把复杂非线性系统控制转化为简单的7个单变量线性系统的控制。

6、如图4所示，设计线性闭环控制器61。对7个解耦的积分子系统分别设计相应的5个转子位置控制器62、63、64、65、66、1个转速控制器67和1个磁链控制器68，并由5个转子位置控制器62、63、64、65、66、1个转速控制器67和1个磁链控制器68构成线性闭环控制器61。线性闭环控制器61采用鲁棒伺服调节器等设计方法对位置子系统进行综合，鲁棒伺服系统中，，五个位置控制器参数选为，，，；转速和磁链控制器采用PI控制器，参数分别选为700、1200和800、1100。

7、如图5、6所示，将线性闭环控制器61、支持向量机逆42和复合被控对象32前后依次串接，这样可由线性闭环控制器61、支持向量机逆42、三个Clark逆变换11、12、13、三个电流跟踪型逆变器21、22、23和一个线性功率放大器24共同构成五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器71。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (1)

1.一种五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器的构造方法，其特征在于采用如下步骤：

1）先将三个Clark逆变换(11、12、13)分别串接在三个电流跟踪型逆变器（21、22、23）之前，再将三个电流跟踪型逆变器（21、22、23）和一个线性功率放大器（24）分别串接在五自由度无轴承异步电机及其负载模型（31）之前，共同作为一个整体组成复合被控对象（32）；

2）用具有19个输入节点、7个输出节点的支持向量机（41）加12个积分器                                                构成具有7个输入节点、7个输出节点的支持向量机逆（42），其中：支持向量机（41）的第一个输入为支持向量机逆（42）的第一个输入，其经第一个积分器的输出为支持向量机（41）的第二个输入，再经第二个积分器为支持向量机（41）的第三个输入；支持向量机（41）的第四个输入为支持向量机逆（42）的第二个输入，其经第三个积分器的输出为支持向量机（41）的第五个输入，再经第四个积分器为支持向量机（41）的第六个输入；支持向量机（41）的第七个输入为支持向量机逆（42）的第三个输入，其经第五个积分器的输出为支持向量机（41）的第八个输入，再经第六个积分器为支持向量机（41）的第九个输入；支持向量机（41）的第十个输入为支持向量机逆（42）的第四个输入，其经第七个积分器的输出为支持向量机（41）的第十一个输入，再经第八个积分器为支持向量机（41）的第十二个输入；支持向量机（41）第十三个输入为支持向量机逆（42）的第五个输入，其经第九个积分器的输出为支持向量机（41）的第十四个输入，再经第十个积分器的输出为支持向量机（41）的第十五个输入；支持向量机（41）第十六个输入为支持向量机逆（42）的第六个输入，其经第十一个积分器的输出为支持向量机（41）的第十七个输入；支持向量机（41）第十八个输入为支持向量机逆（42）的第七个输入，其经第十二个积分器的输出为支持向量机（41）的第十九个输入；支持向量机（41）与12个积分器一起组成支持向量机逆（42），支持向量机（41）的输出就是支持向量机逆（42）的输出；

3）调整支持向量机的向量系数和阈值使支持向量机逆（42）实现复合被控对象（32）的逆系统功能，将支持向量机逆（42）置于复合被控对象（32）之前组成伪线性系统（51）；

所述支持向量机（41）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（32）的输入端；采集五自由度无轴承异步电机的转子位移、、、、、和转速和磁链，将五个位移、、、、离线分别求其二阶导数，转速和磁链分别求其一阶导数，并对信号做规范化处理，组成支持向量机的训练样本集{,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,}；并选取高斯核函数作为支持向量机（41）的核函数，设定正则化参数为1300，核宽度为1.8，对支持向量机（41）进行训练，从而确定支持向量机（41）的向量系数和阈值；

4）伪线性系统（51）等效为7个解耦的积分线性子系统，分别为5个位置二阶积分型的伪线性子系统、1个转速一阶积分型的伪线性子系统和1个磁链一阶积分型的伪线性子系统；对7个解耦的积分子系统分别设计相应的5个转子位置控制器（62、63、64、65、66）、1个转速控制器（67）和1个磁链控制器（68），并由5个转子位置控制器（62、63、64、65、66）、1个转速控制器（67）和1个磁链控制器（68）构成线性闭环控制器（61）；

5）将线性闭环控制器（61）、支持向量机逆（42）和复合被控对象（32）依次串接，由线性闭环控制器（61）、支持向量机逆（42）、三个Clark逆变换(11、12、13)、三个电流跟踪型逆变器（21、22、23）和一个线性功率放大器（24）共同构成五自由度无轴承异步电机支持向量机逆控制器（71）。