CN103490690A - 一种交流磁轴承容错解耦控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流磁轴承容错解耦控制器的构造方法，包括以下步骤：1）构造复合被控对象；2）构造支持向量机逆模型库；3）选择支持向量机逆模型库中的支持向量机逆模型作为复合被控对象的支持向量机逆模型，实现复合被控对象的逆系统功能，将支持向量机逆模型库串联于复合被控对象之前组成伪线性系统，伪线性系统被线性化解耦为2个二阶积分型位移线性子系统；4）针对2个二阶积分型位移线性子系统，分别设计2个径向位置控制器来构成线性闭环控制器；5）将线性闭环控制器和支持向量机逆模型库共同构成支持向量机逆容错解耦控制器，对复合被控对象进行容错解耦控制。

Description

一种交流磁轴承容错解耦控制器的构造方法

技术领域

本发明涉及交流磁轴承容错解耦控制器的构造方法，适用于交流径向主动磁轴承系统的高性能、高可靠性控制，属于特种电气传动（特别是磁悬浮传动）技术领域。

背景技术

为了适应现代装备及先进制造业朝着高效、高速高精、智能化、低功耗且实现绿色制造发展的趋势，要求其领域所采用的磁轴承具有体积小、结构简单、功耗小、成本低、可靠性高等特点。交流径向主动磁轴承基于交流励磁，只需采用单个三相CRPWM功率逆变器即可实现径向两自由度的悬浮控制，并且三相CRPWM逆变器技术已经十分成熟，相比较直流功放具有体积小、成本低、功耗低等显著优点，而且成熟的三相交流电机检测及数字控制技术均可借鉴，因此交流径向主动磁轴具有更重要的研究意义和更广阔的应用前景。然而，随着交流径向主动磁轴在超高速超精密数控机床等特种传动领域中的应用越来越广泛，其安全和可靠性问题也日益受到关注，因此研究并提高交流径向主动磁轴浮系统的可靠性，以及研究其容错驱动控制策略，同样具有重要的现实意义。

神经网络逆控制方法利用神经网络逼近原系统的逆模型，克服了解析逆控制方法在实际应用中逆模型难以求取的瓶颈问题，取得了一定成效。然而，神经网络自身存在的训练时间较长、学习速度较慢、网络结构不易优化、存在局部极小值等问题使得神经网络逆控制方法在实际应用中的控制效果不佳。支持向量机以结构风险最小化为学习规则，很好的解决了以经验风险最小化为学习规则的神经网络的缺陷，使得支持向量机逆控制方法较神经网络逆控制方法更具有应用前景。但是，传统的支持向量机逆控制方法只能实现系统正常运行时的解耦线性化，当系统发生故障时却无能为力。因此为了使支持向量机逆控制方法具有更广阔的应用前景，并且提高交流径向主动磁轴系统的可靠性，有必要研究支持向量机逆控制方法的新的扩展形式来实现交流径向主动磁轴在正常、以及带故障运行工况下的非线性动态解耦控制。

发明内容

本发明的目的是为了实现交流径向主动磁轴系统在正常及带故障状态下的解耦控制，即容错解耦控制，利用支持向量机逆理论，提出一种基于双支持向量机逆模型的交流径向主动磁轴系统容错解耦控制器的构造方法。

本发明采用的技术方案是：

一种交流磁轴承容错解耦控制器的构造方法，依次按以下步骤：

1）将Clark逆变换器和CRPWM逆变器依次串联于交流径向主动磁轴承系统之前构成复合被控对象；

2）采用第一支持向量机和4个积分器S^-1构造复合被控对象的正常支持向量机逆模型，采第二支持向量机和另外4个积分器S^-1构造复合被控对象的故障支持向量机逆模型；将正常支持向量机逆模型和故障支持向量机逆模型一起构成支持向量机逆模型库；

3）选择所述正常支持向量机逆模型或故障支持向量机逆模型作为复合被控对象的支持向量机逆模型，调整并确定第一支持向量机或第二支持向量机的向量系数和阈值使支持向量机逆模型库实现复合被控对象的逆系统功能，将支持向量机逆模型库串联于复合被控对象之前组成伪线性系统，伪线性系统被解耦线性化为2个二阶积分型位移线性子系统；

4）针对2个解耦线性化的二阶积分型位移线性子系统，分别设计2个径向位置控制器，从而构成线性闭环控制器；将线性闭环控制器和支持向量机逆模型库共同构成支持向量机逆容错解耦控制器，对复合被控对象进行容错解耦控制。

步骤3）中所述支持向量机逆模型的确定方法为：根据故障检测切换单元检测复合被控对象的悬浮运行状态，当复合被控对象正常运行时，故障检测切换单元选择支持向量机逆模型库中的正常支持向量机逆模型作为复合被控对象的逆模型，当复合被控对象带故障运行时，故障检测切换单元选择支持向量机逆模型库中的故障支持向量机逆模型作为复合被控对象的逆模型。

步骤3）中，所述第一支持向量机或第二支持向量机的向量系数和阈值的确定方法为：在交流径向主动磁轴承系统无故障或带故障悬浮运行的两种工况下，分别采集复合被控对象的输入控制电流信号{i_x,i_y}、以及输出径向位移信号{x,y}，并将径向位移信号{x,y}离线求其一阶、二阶导数，并对信号进行规范化处理，组成第一支持向量机或第二支持向量机的训练样本集

第一支持向量机或第二支持向量机的核函数选取为高斯核函数，并根据交流径向主动磁轴承系统实际悬浮运行情况选取合适的正则化参数和核宽度，训练第一支持向量机或第二支持向量机，从而确定第一支持向量机或第二支持向量机的向量系数与阈值。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用双支持向量机，构造交流径向主动磁轴系统在正常及带故障运行时的支持向量机逆模型库，实现交流径向主动磁轴系统在正常、及带故障运行时的线性化解耦控制，将交流径向主动磁轴系统这一多输入多输出、非线性、强耦合的时变系统解耦成两个线性单输入单输出位移子系统，从而将复杂的非线性强耦合控制问题转变为简单的线性控制问题。

2、本发明采用支持向量机辨识交流径向主动磁轴系统的正常逆模型或者故障逆模型，克服了传统逆系统控制方法系统逆模型难以求取的瓶颈问题，而且也很好地解决了基于经验风险最小化学习规则的神经网络的不足之处，具有较好的应用价值和推广性。

附图说明

图1是由Clark逆变换器11、CRPWM逆变器12和被控的交流径向主动磁轴系统13组成复合被控对象1。

图2是由正常支持向量机逆模型22和故障支持向量机逆模型24构成支持向量机逆模型库2的结构示意图。

图3是将支持向量机逆模型库2与复合被控对象1相串联构成伪线性系统3的示意图及其等效图。

图4是由线性闭环控制器4与伪线性系统3实现容错解耦控制的原理框图。

图5是交流径向主动磁轴系统支持向量机逆容错解耦控制器5的原理框图。

具体实施方式

本发明具体的实施分以下10步：

1、将Clark逆变换器11和CRPWM逆变器12串联于交流径向主动磁轴承系统13之前构成复合被控对象1，如图1所示。该复合被控对象1以{i_x,i_y}两个控制电流信号作为输入，以转子的径向位移x、y作为输出。

2、基于交流径向主动磁轴承的悬浮运行原理，建立无交流径向主动磁轴承系统13的数学模型，并经过Clark逆变换器11和CRPWM逆变器12，得到复合被控对象1的数学模型，对该数学模型进行可逆性分析，证明该数学模型可逆，即存在逆模型。

3、采用具有6个输入节点、2个输出节点的支持向量机21和4个积分器s^-1构成复合被控对象1正常支持向量机逆模型22，其中：支持向量机的第一个输入为正常支持向量机逆模型的第一个输入，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正常支持向量机逆模型的第二个输入，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21与4个积分器一起构成正常支持向量机逆模型22，支持向量机的输出就是正常支持向量机逆模型的输出。

4、采用具有6个输入节点、2个输出节点的支持向量机23和4个积分器s^-1构成复合被控对象1故障支持向量机逆模型24，其中：支持向量机的第一个输入为故障支持向量机逆模型的第一个输入，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故障支持向量机逆模型的第二个输入，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23与4个积分器一起构成故障支持向量机逆模型24，支持向量机的输出就是故障支持向量机逆模型24的输出。

5、将正常支持向量机逆模型22和故障支持向量机逆模型24一起构成支持向量机逆模型库2；并确定逆模型库2输入为径向位移的二阶导数

和

，输出为控制电流i_x和i_y，如图2所示。

6、在交流径向主动磁轴承系统无故障或带故障悬浮运行的两种工况下，分别采集复合被控对象1的输入控制电流信号{i_x,i_y}、以及输出径向位移信号{x,y}，并将径向位移信号{x,y}离线求其一阶、二阶导数，并对信号进行规范化处理，组成支持向量机（支持向量机21或支持向量机23）的训练样本集

支持向量机（支持向量机21或支持向量机23）的核函数选取为高斯核函数，并根据交流径向主动磁轴承系统实际悬浮运行情况选取合适的正则化参数和核宽度，训练支持向量机（支持向量机21或支持向量机23），从而确定支持向量机（支持向量机21或支持向量机23）的向量系数与阈值。

7、根据故障检测切换单元6检测复合被控对象1的悬浮运行状态，当复合被控对象1正常运行时，故障检测切换单元6选择支持向量机逆模型库2中的正常支持向量机逆模型22作为复合被控对象1的逆模型，当复合被控对象1带故障运行时，故障检测切换单元6选择支持向量机逆模型库2中的故障支持向量机逆模型24作为复合被控对象1的逆模型。

8、将支持向量机逆模型库2串联于复合被控对象1之前组成伪线性系统3，伪线性系统3被解耦线性化两个二阶积分型位移线性子系统，如图3所示。

9、针对两个解耦线性化的二阶积分型位移线性子系统，分别设计两个径向位置控制器41、42，从而构成线性闭环控制器4，如图4所示。

10、将线性闭环控制器4和支持向量机逆模型库2共同构成支持向量机逆容错解耦控制器5，对复合被控对象1进行容错解耦控制，如图5所示。

根据以上所述，便可以实现本发明。

Claims (3)

1.一种交流磁轴承容错解耦控制器的构造方法，其特征是依次按以下步骤：

1）将Clark逆变换器和CRPWM逆变器依次串联于交流径向主动磁轴承系统之前构成复合被控对象；

2）采用第一支持向量机和4个积分器S^-1构造复合被控对象的正常支持向量机逆模型，采第二支持向量机和另外4个积分器S^-1构造复合被控对象的故障支持向量机逆模型；将正常支持向量机逆模型和故障支持向量机逆模型一起构成支持向量机逆模型库；

3）选择所述正常支持向量机逆模型或故障支持向量机逆模型作为复合被控对象的支持向量机逆模型，调整并确定第一支持向量机或第二支持向量机的向量系数和阈值使支持向量机逆模型库实现复合被控对象的逆系统功能，将支持向量机逆模型库串联于复合被控对象之前组成伪线性系统，伪线性系统被解耦线性化为2个二阶积分型位移线性子系统；

4）针对2个解耦线性化的二阶积分型位移线性子系统，分别设计2个径向位置控制器，从而构成线性闭环控制器；将线性闭环控制器和支持向量机逆模型库共同构成支持向量机逆容错解耦控制器，对复合被控对象进行容错解耦控制。

2.根据权利要求1所述的一种交流磁轴承容错解耦控制器的构造方法，其特征在于，步骤3）中所述支持向量机逆模型的确定方法为：根据故障检测切换单元检测复合被控对象的悬浮运行状态，当复合被控对象正常运行时，故障检测切换单元选择支持向量机逆模型库中的正常支持向量机逆模型作为复合被控对象的逆模型，当复合被控对象带故障运行时，故障检测切换单元选择支持向量机逆模型库中的故障支持向量机逆模型作为复合被控对象的逆模型。

3.根据权利要求1所述的一种交流磁轴承容错解耦控制器的构造方法，其特征在于，步骤3）中，所述第一支持向量机或第二支持向量机的向量系数和阈值的确定方法为：在交流径向主动磁轴承系统无故障或带故障悬浮运行的两种工况下，分别采集复合被控对象的输入控制电流信号{i_x,i_y}、以及输出径向位移信号{x,y}，并将径向位移信号{x,y}离线求其一阶、二阶导数，并对信号进行规范化处理，组成第一支持向量机或第二支持向量机的训练样本集

第一支持向量机或第二支持向量机的核函数选取为高斯核函数，并根据交流径向主动磁轴承系统实际悬浮运行情况选取合适的正则化参数和核宽度，训练第一支持向量机或第二支持向量机，从而确定第一支持向量机或第二支持向量机的向量系数与阈值。

Images