CN103246201A - 径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制系统及方法，由改进模糊无模型自适应控制器、被控对象和位移检测模块依次连接构成一个闭环控制系统，改进模糊无模型自适应控制器由基本无模型自适应控制器、四个模糊推理器和微分器相互连接组成，模糊推理器一、模糊推理器二分别确定偏差增益系数和确定转子径向位移偏差及其变化率之间的模糊关系，在线修正偏差增益系数，模糊推理器三、模糊推理器四分别确定权重因子和确定过去时刻的径向位移变化量之间的模糊关系，在线修正权重因子；本发明通过四个模糊推理器对参数调整，使径向位移输出信号波动较小且快速跟踪位移期望值。

Description

径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制系统及方法

技术领域

本发明属于控制技术领域，具体涉及一种非机械接触磁悬浮轴承（磁轴承）的控制系统及该控制系统的控制方法。

背景技术

径向混合磁轴承是一种可以同时实现径向两个自由度控制的混合磁轴承，其控制磁通由控制线圈产生，因此具有主动磁轴承悬浮力可控、精度高、刚度可调等优点；其偏置磁通是由永磁体所产生，因此又具有功耗低、成本低、空间散热性好等优势。目前，径向混合磁轴承采用PID控制器进行控制，但PID控制器过分依赖控制对象的模型参数，鲁棒性较差，很难满足系统精密控制的要求。由于径向混合磁轴承的数学模型随磁饱和、转子偏心位移、转速和负载等参数的变化而随时变化，因此建立其精确的数学模型会使得控制算法极其复杂，且会导致系统的快速响应变慢，不仅如此，由于径向混合磁轴承两个自由度之间具有耦合作用，常规的控制技术在处理这些问题时，通常具有复杂的控制结构或者过多的整定参数，甚至采用解耦控制等手段，增加了控制的成本，效果也不很理想。因此，采用一种控制简单、不依赖于其数学模型且带有解耦功能的精确控制方法是本领域的必然趋势。

模糊无模型自适应控制是一种不依赖于被控对象数学模型、具有良好的处理非线性问题和消除耦合的能力、结合了模糊控制优点与无模型自适应控制优点的复合型控制器，它弥补传统的无模型自适应控制器只能利用控制参数的偏差进行控制而忽略了偏差变化率等信息对控制系统的影响的不足，而且由于它利用控制法则来描述系统变量间的关系，且不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，使得控制过程简单，加快系统响应速度；又由于它是将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略，因此控制效果明显优越于单纯采用无模型自适应控制的控制效果。

对于径向混合磁轴承这类复杂的非线性耦合系统，相比于采用传统的基于数学模型的磁轴承系统控制方案，如果采用传统的模糊无模型自适应控制器对其直接进行控制，可以更好的实现系统的快速响应，且具有更强的自适应能力与鲁棒性，但是传统的模糊无模型自适应控制器的输出对于过去时刻的输出数据变化量比较敏感，将产生较大的控制作用，影响系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种针对径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制系统及控制方法，改进传统的模糊无模型自适应控制系统并应用于径向混合磁轴承中，使径向混合磁轴承系统具有更好的鲁棒性、抗干扰性、适应性和更好的控制精度。

 本发明径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制系统采用的技术方案是：由改进模糊无模型自适应控制器、被控对象和位移检测模块依次连接构成一个闭环控制系统，所述改进模糊无模型自适应控制器由基本无模型自适应控制器、四个模糊推理器和微分器相互连接组成，基本无模型自适应控制器的输入为径向混合磁轴承转子给定的转子径向参考位置信号x ^*和y ^*及转子径向位移输出信号x和y，输出为力信号F _x ^* 、F _y ^*，转子径向位移偏差e _x 、e _y 经微分器输出其变化率e _cx 、e _cy ，模糊推理器一和模糊推理器二均以当前时刻的转子径向位移偏差e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy 为输入，模糊推理器一以控制X方向的偏差增益系数λ₁为输出，模糊推理器二以控制Y方向的偏差增益系数λ₂为输出，模糊推理器三、模糊推理器四分别以过去时刻的输出径向位移变化量x _p 、y _p 为输入，分别以控制X方向的权重因子σ₁和控制Y方向的权重因子σ₂为输出；所述偏差增益系数λ₁和λ₂ 、权重因子σ₁和σ₂均输入基本无模型自适应控制器a1。

本发明径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制方法采用的技术方案包括如下步骤：

（1）改进模糊无模型自适应控制器依靠模糊推理器一、模糊推理器二分别确定偏差增益系数λ₁、λ₂和确定转子径向位移偏差e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy 之间的模糊关系，在运行中不断检测e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy ，根据模糊关系在线修正偏差增益系数λ₁和λ₂；

（2）改进模糊无模型自适应控制器依靠模糊推理器三、模糊推理器四分别确定权重因子σ₁、σ₂和确定过去时刻的径向位移变化量x _p 、y _p 之间的模糊关系，在运行中不断检测输出径向位移变化量x _p 、y _p ，根据模糊关系在线修正权重因子σ₁、σ₂。

    所述模糊关系的原则是：1）当                                                

或

时，转子径向位移输出信号x处于增加状态，远离转子径向参考位置信号x*，偏差增益系数λ₁取较大值以调整x，改进模糊无模型自适应控制器a的输出力信号F _x ^* 使径向位移输出信号x快速逼近转子径向参考位置信号x ^*；2）当

或

时，转子径向位移输出信号x处于减小状态，逐渐逼近转子径向参考位置信号x*，偏差增益系数λ₁取较小值，改进模糊无模型自适应控制器的输出力信号F _x ^* 使径向位移输出信号x变化幅度尽可能小；3）当或

时，转子径向位移输出信号y处于增加状态，远离转子径向参考位置信号y ^*，偏差增益系数λ₂取较大值，改进模糊无模型自适应控制器的输出力信号F _y ^* 使转子径向位移输出信号y快速恢复径向参考位置信号y ^*；4）当或

时，转子径向位移输出信号y处于减小状态，逐渐逼近转子径向参考位置信号y ^*，偏差增益系数λ₂取较小值，改进模糊无模型自适应控制器的输出力信号F _y ^* 使径向位移输出信号y变化幅度尽可能小；5）当过去时刻的输出径向位移变化量x _p 、y _p 的绝对值小时，修正权重因子σ₁、σ₂均取大值；当x _p 、y _p 的绝对值中等大或大时，修正权重因子σ₁、σ₂均取小值。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明区别于传统的模糊无模型自适应控制器只针对当前时刻的数据信息进行控制，而专门针对径向混合磁轴承这一被控对象进行其控制系统改进，充分利用过程控制参数在当前时刻的的偏差、偏差变化率及过去时刻的输出数据变化量等信息，将控制过程中的参数分类处理，分为主控参数和副控参数：主控参数负责快速跟踪位移期望值，而副控参数负责专门改进传统模糊无模型自适应控制器由于过去时刻的输出数据变化量比较敏感所导致的稳定性问题，并建立主、副控参数不同控制目标的模糊规则，自适应地改变无模型自适应控制器的参数。通过四个模糊推理器对无模型自适应控制器的参数的调整，实现主控参数和副控参数的不同的控制要求，既保证了主控参数可以使得径向位移输出信号快速跟踪位移期望值，又满足了副控参数使得径向位移输出信号的波动较小的需求。

2、本发明的改进模糊无模型自适应控制器为一种复合型控制器，它弥补了传统的无模型自适应控制器只能利用控制参数的偏差进行控制，而忽略了偏差变化率等信息对控制系统的影响的不足；而且由于它利用控制法则来描述系统变量间的关系，且不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，使得控制过程简单，加快了系统响应速度；又由于它是将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略，因此控制效果明显优越于单纯采用无模型自适应控制的控制效果。

3、由于径向混合磁轴承在运行中受磁饱和、转子偏心位移、转速和负载等参数的影响，加之悬浮力与径向控制线圈控制电流和位移本身成非线性关系，所以要准确地测辨其动态过程的模型参数并构建系统的数学模型非常困难，本发明将改进无模型学习自适应控制方法应用于径向混合磁轴承的控制系统中，可以更好地实现系统的快速响应，且具有更强的自适应能力与鲁棒性。

4、径向混合磁轴承两个自由度之间具有耦合作用，常规的先进控制技术在处理这些问题时，通常具有复杂的控制结构或者过多的整定参数，甚至采用解耦控制等手段。本发明的改进模糊无模型自适应控制本身具有良好的消除耦合的能力，无需增加附加解耦控制模块。

附图说明

图1为本发明径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制系统的总体框图；

图中：a. 改进模糊无模型自适应控制器； a1. 基本无模型自适应控制器，a2. 模糊推理器一；a3. 模糊推理器二；a4. 模糊推理器三；a5. 模糊推理器四；a6. 微分器；b. 被控对象；b1. 坐标变换；b2. 电流跟踪型逆变器；b3. 径向混合磁轴承；c. 位移检测模块；c1. Y方向位移传感器；c2. Y方向位移接口电路；c3. X方向位移传感器；c4. X方向位移接口电路。 

具体实施方式

如图1，本发明所述的径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制系统由改进模糊无模型自适应控制器a，被控对象b和位移检测模块c依次连接构成一个闭环控制系统。其中，改进模糊无模型自适应控制器a由基本无模型自适应控制器a1、模糊推理器一a2、模糊推理器二a3、模糊推理器三a4、模糊推理器四a5和微分器a6相互连接组成。改进模糊无模型自适应控制器a的输入为给定的径向混合磁轴承转子径向参考位置信号x ^*和y ^*、调制后的转子径向位移输出信号x和y、转子径向位移偏差e _x 和e _y 及过去时刻的径向位移变化量x _p 和y _p 。力信号F _x ^* 、F _y ^*作为改进模糊无模型自适应控制器a的输出变量，输出变量至被控对象b进行控制。基本无模型自适应控制器a1的输入为给定的转子径向参考位置信号x ^*和y ^*及调制后的转子径向位移输出信号x和y，输出为力信号F _x ^* 、F _y ^*。转子径向位移偏差e _x 、e _y 经过微分器a6处理后输出其变化率e _cx 、e _cy 。模糊推理器一a2和模糊推理器二a3均以当前时刻的转子径向位移偏差e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy 作为输入，模糊推理器一a2以控制X方向的偏差增益系数λ₁作为输出，模糊推理器二a3以控制Y方向的偏差增益系数λ₂作为输出，控制X方向的偏差增益系数λ₁和控制Y方向的偏差增益系数λ₂均输入到基本无模型自适应控制器a1。

模糊推理器三a4和模糊推理器四a5均以过去时刻的输出径向位移变化量x _p 、y _p 作为输入，分别以控制X方向的权重因子σ₁和控制Y方向的权重因子σ₂作为输出，进而将控制X方向的权重因子σ₁和控制Y方向的权重因子σ₂输入到基本无模型自适应控制器a1。

改进模糊无模型自适应控制器a1是依靠模糊推理器一a2、模糊推理器二a3这两个模糊推理器确定控制X方向的偏差增益系数λ₁、控制Y方向的偏差增益系数λ₂这两个主参数和确定转子径向位移偏差e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy 之间的模糊关系，通过不断检测e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy ，根据所建立的模糊关系对主参数在线修正，使得被控对象b具有良好的动静态性能。改进模糊无模型自适应控制器a1还依靠模糊推理器三a4、模糊推理器四a5这两个模糊推理器确定控制X方向的权重因子σ₁、控制Y方向的权重因子σ₂这两个副参数和确定过去时刻的径向位移变化量x _p 、y _p 之间的模糊关系，根据所建立的模糊关系对副参数在线修正，从而改进了传统模糊无模型自适应控制器由于过去时刻的输出数据变化量比较敏感所导致的稳定性问题。

被控对象b由坐标变换b1、电流跟踪型逆变器b2和径向混合磁轴承b3依次连接而成。位移检测模块c中，Y方向位移传感器c1和Y方向位移接口电路c2依次相连接，X方向位移传感器c3和X方向位移接口电路c4依次相连接。

先采用X方向位移传感器c3和Y方向位移传感器c1分别检测径向混合磁轴承b3的径向位置，检测出的径向位移分别通过X方向位移接口电路c4和Y方向位移接口电路c2处理，分别输出调制后的转子径向位移输出信号x、y，与给定的转子径向参考位置信号x ^*、y ^*进行比较，得到当前时刻的转子径向位移偏差e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy 。然后，利用当前时刻的的偏差e _x 、e _y 、偏差变化率e _cx 、e _cy 及由基本无模型自适应控制器a1记录的过去时刻的输出径向位移变化量x _p 、y _p 均作为改进模糊无模型自适应控制器a当前时刻的输入变量。力信号F _x ^* 、F _y ^*作为改进模糊无模型自适应控制器a的输出变量至被控对象b进行控制。被控对象b的输入为力信号F _x ^* 、F _y ^*，然后经过坐标变换b1，将力信号F _x ^* 、F _y ^*转变成三相控制电流参考信号i _A ^*、i _B ^*、i _C ^*供电流跟踪型逆变器b2使用，再经过电流跟踪型逆变器b2处理，输出三相控制电流i _A、i _B、i _C给径向混合磁轴承b3的三个控制线圈，使得三相控制线圈中的三相控制电流i _A、i _B、i _C产生的合成单极磁通可指向与转子偏移于径向参考位置相反的方向，产生相应的径向磁悬浮力，使转子回到转子径向参考位置信号x ^*、y ^*。其中，改进模糊无模型自适应控制器a是找出基本无模型自适应控制器a1中2个主控参数（控制X方向的偏差增益系数λ₁、控制Y方向的偏差增益系数λ₂）与e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy 之间的模糊关系及2个副控参数（控制X方向的权重因子σ₁、控制Y方向的权重因子σ₂）与x _p 、y _p 之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e _x 、e _y 、e _cx 、e _cy 和x _p 、y _p ，并在线修正主控参数λ₁，λ₂和副控参数σ₁，σ₂，以满足主副控参数的不同控制要求，既保证了主控参数可以使得径向位移输出信号x、y快速跟踪位移期望值（转子径向参考位置信号x ^*、y ^*），又满足了副控参数使得径向位移输出信号x、y的波动较小的需求。为此，根据4个参数需要设立4个模糊规则，即设计四个模糊推理器，模糊推理器一a2和模糊推理器二a3均是以当前时刻的转子径向位移偏差e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy 作为输入，主控参数λ₁作为模糊推理器一a2的输出，主控参数λ₂作为模糊推理器二a3的输出。模糊推理器三a4和模糊推理器四a5均是以过去时刻的输出径向位移变化量x _p 、y _p 作为输入，副控参数σ₁作为模糊推理器三a4的输出，副控参数σ₂作为模糊推理器四a5的输出。针对不同阶段e _x 、e _y 、e _cx 、e _cy 、x _p 和y _p , 主、副控参数找出模糊关系的整定原则如下：

1）当

或

时，转子径向位移输出信号x处于增加状态，而且远离转子径向参考位置信号x*，此时改进模糊无模型自适应控制器a的输出F _x ^* 应使径向位移输出信号x尽快改变这种状态，即快速逼近转子径向参考位置信号x ^*。对于调整x的变化幅度可以通过自适应改变λ₁来实现，对于主控参数λ₁，其控制目标是使得转子径向位移输出信号x快速恢复期望值，即径向参考位置信号x ^*，因此主控参数λ₁应取较大值。

2）当

或时，转子径向位移输出信号x处于减小状态，而且逐渐逼近转子径向参考位置信号x*，此时改进模糊无模型自适应控制器a的输出F _x ^* 应使径向位移输出信号x尽量维持这种状态，即使得逼近转子径向参考位置信号x ^*的径向位移输出信号x的变化幅度尽可能的小，因此主控参数λ₁应取较小的值。

3）当

或

时，转子径向位移输出信号y处于增加状态，而且远离转子径向参考位置信号y ^*，此时改进模糊无模型自适应控制器a的输出F _y ^* 应使径向位移输出信号y尽快改变这种状态，即快速逼近转子径向参考位置信号y*。对于调整y的变化幅度可以通过自适应改变λ₂来实现，对于主控参数λ₂，其控制目标是使得转子径向位移输出信号y快速恢复期望值，即径向参考位置信号y ^*，因此主控参数λ₂应取较大值。

4）当或

时，转子径向位移输出信号y处于减小状态，而且逐渐逼近转子径向参考位置信号y ^*，此时改进模糊无模型自适应控制器a的输出F _y ^* 应使径向位移输出信号y尽量维持这种状态，即使得逼近转子径向参考位置信号y*的径向位移输出信号y的变化幅度尽可能的小，因此主控参数λ₁应取较小的值。

5）为了解决基本无模型自适应控制器a1的输出变化量对过去时刻的控制输入变化量过于敏感问题，可以通过副控参数σ₁，σ₂对其进行改进。当过去时刻的输出径向位移变化量x _p 、y _p 的绝对值很小时，负责调整输出径向位移x变化的副控参数σ₁和负责调整输出径向位移y变化的副控参数σ₂均取大值。当过去时刻的输出径向位移变化量x _p 、y _p 的绝对值中等或较大时，副控参数σ₁，σ₂均取小值。

以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制系统，其特征是：由改进模糊无模型自适应控制器、被控对象和位移检测模块依次连接构成一个闭环控制系统，所述改进模糊无模型自适应控制器由基本无模型自适应控制器、四个模糊推理器和微分器相互连接组成，基本无模型自适应控制器的输入为径向混合磁轴承转子给定的转子径向参考位置信号x ^*和y ^*及转子径向位移输出信号x和y，输出为力信号F _x ^* 、F _y ^*，转子径向位移偏差e _x 、e _y 经微分器输出其变化率e _cx 、e _cy ，模糊推理器一和模糊推理器二均以当前时刻的转子径向位移偏差e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy 为输入，模糊推理器一以控制X方向的偏差增益系数λ₁为输出，模糊推理器二以控制Y方向的偏差增益系数λ₂为输出，模糊推理器三、模糊推理器四分别以过去时刻的输出径向位移变化量x _p 、y _p 为输入，分别以控制X方向的权重因子σ₁和控制Y方向的权重因子σ₂为输出；所述偏差增益系数λ₁和λ₂ 、权重因子σ₁和σ₂均输入基本无模型自适应控制器a1。

2.一种如权利要求1所述径向混合磁轴承的改进模糊无模型自适应控制系统的控制方法，其特征是包括如下步骤：

（1）改进模糊无模型自适应控制器依靠模糊推理器一、模糊推理器二分别确定偏差增益系数λ₁、λ₂和确定转子径向位移偏差e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy 之间的模糊关系，在运行中不断检测e _x 、e _y 及其变化率e _cx 、e _cy ，根据模糊关系在线修正偏差增益系数λ₁和λ₂；

（2）改进模糊无模型自适应控制器依靠模糊推理器三、模糊推理器四分别确定权重因子σ₁、σ₂和确定过去时刻的径向位移变化量x _p 、y _p 之间的模糊关系，在运行中不断检测输出径向位移变化量x _p 、y _p ，根据模糊关系在线修正权重因子σ₁、σ₂。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：所述模糊关系的原则是：

1）当                                               

或

时，转子径向位移输出信号x处于增加状态，远离转子径向参考位置信号x*，偏差增益系数λ₁取较大值以调整x，改进模糊无模型自适应控制器a的输出力信号F _x ^* 使径向位移输出信号x快速逼近转子径向参考位置信号x ^*；

2）当

或

时，转子径向位移输出信号x处于减小状态，逐渐逼近转子径向参考位置信号x*，偏差增益系数λ₁取较小值，改进模糊无模型自适应控制器的输出力信号F _x ^* 使径向位移输出信号x变化幅度尽可能小；

3）当或

时，转子径向位移输出信号y处于增加状态，远离转子径向参考位置信号y ^*，偏差增益系数λ₂取较大值，改进模糊无模型自适应控制器的输出力信号F _y ^* 使转子径向位移输出信号y快速恢复径向参考位置信号y ^*；

4）当

或

时，转子径向位移输出信号y处于减小状态，逐渐逼近转子径向参考位置信号y ^*，偏差增益系数λ₂取较小值，改进模糊无模型自适应控制器的输出力信号F _y ^* 使径向位移输出信号y变化幅度尽可能小；

5）当过去时刻的输出径向位移变化量x _p 、y _p 的绝对值小时，修正权重因子σ₁、σ₂均取大值；当x _p 、y _p 的绝对值中等大或大时，修正权重因子σ₁、σ₂均取小值。