CN110985541A - 一种用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器及其控制方法 - Google Patents

一种用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，利用位移传感器获取转子位移信号测量值xs；并将其输入到锁相环计算得到转子位移信号计算值
Figure DDA0002282567580000014
和转子速度信号计算值
Figure DDA0002282567580000011
将
Figure DDA0002282567580000012
和
Figure DDA0002282567580000013
反馈到滑模控制器，通过转子位置控制器调节得到所需要的电磁力Fsmc；同时，转子位移信号计算值、速度信号计算值以及滑模变量s输入到单层神经网络调节器中，计算得到补偿力FΔ；Fsmc和FΔ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁总力Fref，然后计算出参考电流；通过电流调节器控制磁悬浮轴承线圈电流，从而控制转子到平衡位置。本发明三段级联控制结构简单灵活，加入结构简单的单层神经网络调节器抑制系统的不确定性因素和外部扰动，在提高控制系统鲁棒性的同时，保证了控制系统的简洁高效。

Description

一种用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及主动磁悬浮轴承领域，具体涉及一种用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器及其控制方法。
背景技术
主动磁悬浮轴承是一种通过电磁力将转子悬浮，以实现转子与定子之间无机械接触的轴承系统。主动磁悬浮轴承具有摩擦极低、无需润滑、免维护、可主动控制转子动力学特性等优点。主动磁悬浮轴承在高速、超高速电机等领域具有广泛的应用前景。
主动磁悬浮轴承系统是一个典型的机电一体化的系统，该系统是一个具有较高非线性和较强耦合作用的复杂系统。在设计控制器时，通常根据其在平衡点附近的线性化模型设计位移-电流双闭环的线性控制器，但线性化模型只在平衡点附近范围内有效，由此设计的控制器未能计及系统内部未建模的非线性因素以及外部扰动，因此传统的控制器具有一定的局限性和较差的鲁棒性，从而影响主动磁悬浮轴承的稳定性和控制精度等。
发明内容
发明目的：针对现有技术上存在的不足，本发明的目的是在于提供一种主动磁悬浮轴承的控制方法，在保持原有控制硬件不变的条件下，获取更高的控制精度、系统的稳定性和鲁棒性，易于推广使用。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器，包括位移传感器、锁相环、转子位置控制器、神经网络调节器、第一电流调节器和第二电流调节器，其中，转子位置控制器为滑模控制器，位移传感器用于采集一对主动磁悬浮轴承中转子位移信号测量值xs，并将转子位移信号测量值xs输入至锁相环，锁相环计算得到的转子位移信号计算值
Figure BDA0002282567560000011
和转子速度信号计算值
Figure BDA0002282567560000012
反馈到转子位移控制器中，获得电磁力Fsmc；另外，转子位移信号计算值
Figure BDA0002282567560000013
和转子速度信号计算值
Figure BDA0002282567560000014
以及滑模变量s输入到神经网络调节器，计算得到补偿力FΔ；Fsmc与FΔ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁力Fref，然后计算出一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i1ref，i2ref；参考电流i1ref和i2ref分别输入第一电流调节器和第二电流调节器中，用于分别控制一对主动磁悬浮轴承中的两个线圈中的电流，从而达到控制转子位置保持在平衡位置的目的。
可选的，神经网络调节器为单层神经网络调节器。
本发明还提供了一种采用上述控制器控制主动磁悬浮轴承系统的控制方法，包括以下步骤：
(1)通过位移传感器检测转子位移信号测量值xs；
(2)将转子位移信号测量值xs输入到锁相环，计算得到转子位移信号计算值
Figure BDA0002282567560000021
和转子速度信号计算值
Figure BDA0002282567560000022
(3)将转子位移信号计算值
Figure BDA0002282567560000023
和转子速度信号计算值
Figure BDA0002282567560000024
反馈到转子位置控制器中，通过转子位置控制器的调节获得所需电磁力Fsmc；
(4)同时，将转子位移信号计算值
Figure BDA0002282567560000025
和转子速度信号计算值
Figure BDA0002282567560000026
以及滑模变量s输入到单层神经网络调节器，计算得到补偿力FΔ；
(5)Fsmc与FΔ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁总力Fref，然后计算出一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i1ref，i2ref；
(6)参考电流i1ref，i2ref分别作为一对主动磁悬浮轴承的第一电流调节器和第二电流调节器的参考输入，第一电流调节器和第二电流调节器分别控制一对主动磁悬浮轴承两个线圈中的电流，从而最终达到控制转子位置，使其保持在平衡位置的目的。
进一步的，步骤(2)中锁相环对转子位移信号计算值
Figure BDA00022825675600000214
和转子速度信号计算值
Figure BDA00022825675600000215
的计算公式如下：
Figure BDA0002282567560000027
Figure BDA0002282567560000028
其中，
Figure BDA0002282567560000029
为当前采样时刻的转子位移信号计算值，
Figure BDA00022825675600000210
为下一采样时刻的转子位移信号计算值，
Figure BDA00022825675600000211
为当前采样时刻的速度信号计算值，
Figure BDA00022825675600000212
为下一采样时刻的速度信号计算值，当前采样时刻的转子位移信号误差
Figure BDA00022825675600000213
xs(k)为当前采样时刻的位移传感器测得的转子位移信号测量值，Ts为采样周期，Kn和Kv为锁相环的系数，其值决定了锁相环的带宽；
则锁相环计算所得的转子位移信号计算值取
Figure BDA0002282567560000031
转子速度信号计算值取
Figure BDA0002282567560000032
进一步的，步骤(3)中转子位置控制器为滑模控制器，其基于以下运动模型设计：
Figure BDA0002282567560000033
其中，m为转子质量，
Figure BDA0002282567560000034
为转子加速度，ΣF为转子所受电磁合力，Δ为未建模的非线性因素以及扰动；
滑模控制器的滑模变量选取为：
Figure BDA0002282567560000035
其中，当前采样时刻的转子位移信号误差
Figure BDA0002282567560000036
速度误差
Figure BDA0002282567560000037
c为一正常数；
滑模控制器采用趋近率方式设计，趋近率采用：
Figure BDA0002282567560000038
其中，ks和δ均为正常数，sgn(s)为符号函数；
通过(3)(4)和(5)，得到滑模控制器的控制输出电磁力为：
Figure BDA0002282567560000039
进一步的，步骤(4)中单层神经网络调节器的输入选取为
Figure BDA00022825675600000310
其输出为：
Figure BDA00022825675600000311
其中，
Figure BDA00022825675600000312
为单层神经网络调节器当前采样时刻的权重矩阵，σ(q)为单层神经网络调节器的激活函数，选取为：
Figure BDA00022825675600000313
更进一步的，单层神经网络调节器的权重矩阵按照以下更新率进行更新：
Figure BDA00022825675600000314
其中F为一对称正定矩阵，κ为一小值正常数；
权重矩阵更新率公式(9)离散化为：
Figure BDA0002282567560000041
进一步的，步骤(5)中一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i1ref，i2ref的计算公式为：
如果Fref>0,
Figure BDA0002282567560000042
如果Fref＜0,
Figure BDA0002282567560000043
其中，g0为转子在平衡位置时的名义气隙长度，km为与主动磁悬浮轴承结构相关的参数。
进一步的，步骤(6)中电流调节器为比例调节器或者比例积分调节器。
有益效果：与现有技术相比，本发明提出的主动磁悬浮轴承系统的控制方法摒弃了基于传统的线性化模型设计控制器，扩大了控制器的适用范围；采用结构清晰的三段级联控制结构，引入了单层神经网络调节器来补偿系统内部的不确定因素、外部扰动和耦合作用，提高了控制系统鲁棒性，另一方面，由于单层神经网络结构简单，同时还保证了控制器的简单高效，因此可以在保持原有控制硬件条件不变的情况下，对主动磁悬浮轴承系统的控制性能得到提升。
附图说明
图1为本发明的包含一对主动磁悬浮轴承的单自由度系统的控制结构示意图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明的单层神经网络调节器结构示意图；
图4为包含多对主动磁悬浮轴承的多自由度系统的控制结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，该主动磁悬浮轴承系统为包括一对主动磁悬浮轴承的单自由度系统，用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器包括位移传感器、锁相环、转子位置控制器(本实施例采用滑模控制器)、单层神经网络调节器、第一电流调节器和第二电流调节器，其中，位移传感器用于采集一对主动磁悬浮轴承中转子位移信号测量值xs，并将转子位移信号测量值xs输入至锁相环，锁相环计算得到的转子位移信号计算值
Figure BDA0002282567560000051
和转子速度信号计算值
Figure BDA0002282567560000052
反馈到滑模控制器中，获得电磁力Fsmc；另外，转子位移信号计算值
Figure BDA0002282567560000053
和转子速度信号计算值
Figure BDA0002282567560000054
以及滑模变量s输入到单层神经网络调节器，计算得到补偿力FΔ；将Fsmc与FΔ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁总力Fref，然后计算出一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i1ref，i2ref；参考电流i1ref和i2ref分别输入第一电流调节器和第二电流调节器中，用于分别控制一对主动磁悬浮轴承中的两个线圈中的电流，从而达到控制转子位置，使其保持在平衡位置的目的。
如图2所示，对上述一种主动磁悬浮轴承系统具体的控制步骤为：
(1)通过位移传感器检测转子位移信号测量值xs；
(2)将所述转子位移信号测量值xs输入到锁相环，计算得到转子位移信号计算值
Figure BDA0002282567560000055
和转子速度信号计算值
Figure BDA0002282567560000056
其计算公式如下：
Figure BDA0002282567560000057
Figure BDA0002282567560000058
其中，
Figure BDA0002282567560000059
为当前采样时刻的转子位移信号计算值，
Figure BDA00022825675600000510
为下一采样时刻的转子位移信号计算值，
Figure BDA00022825675600000511
为当前采样时刻的转子速度信号计算值，
Figure BDA00022825675600000512
为下一采样时刻的转子速度信号计算值，当前采样时刻的转子位移信号误差
Figure BDA00022825675600000513
xs(k)为当前采样时刻的位移传感器测得的转子位移信号值，Ts为采样周期，Kn和Kv为锁相环的系数，其值决定了锁相环的带宽。此外，锁相环的带宽要远大于转子位置控制器的带宽以保证系统的稳定性。
则锁相环计算所得的转子位移信号计算值取
Figure BDA00022825675600000514
转子速度信号计算值取
Figure BDA00022825675600000515
(3)将所述转子位移信号计算值
Figure BDA00022825675600000516
和速度信号计算值
Figure BDA00022825675600000517
反馈到转子位置控制器中，通过转子位置控制器的调节获得所需电磁力Fsmc。转子位置控制器为滑模控制器，其基于以下运动模型设计：
Figure BDA0002282567560000061
其中，m为转子质量，
Figure BDA0002282567560000062
为转子加速度，ΣF为转子所受电磁合力，Δ为未建模的非线性因素以及扰动等。
滑模控制器的滑模变量选取为：
Figure BDA0002282567560000063
其中，当前采样时刻的转子位移信号误差
Figure BDA0002282567560000064
速度误差
Figure BDA0002282567560000065
c为一正常数。
滑模控制器采用趋近率方式设计，趋近率采用：
Figure BDA0002282567560000066
其中，ks和δ均为正常数，sgn(s)为符号函数。
通过(3)(4)和(5)，可以得到滑模控制器的控制输出电磁力为：
Figure BDA0002282567560000067
(4)同时，将所述转子位移信号计算值
Figure BDA0002282567560000068
和转子速度信号计算值
Figure BDA0002282567560000069
以及滑模变量s输入到单层神经网络调节器，计算得到补偿力FΔ，用以抵消运动模型公式(3)中的未建模的非线性项和外部扰动Δ。
所述单层神经网络调节器结构如图3所示，其输入选取为
Figure BDA00022825675600000610
其输出为：
Figure BDA00022825675600000611
其中，
Figure BDA00022825675600000612
为单层神经网络调节器当前采样时刻的权重矩阵，σ(q)为单层神经网络调节器的激活函数，选取为：
Figure BDA00022825675600000613
所述单层神经网络调节器的权重矩阵按照以下更新率进行更新：
Figure BDA00022825675600000614
其中F为一对称正定矩阵，κ为一小值正常数。
进一步地，所述权重矩阵更新率(9)离散化为：
Figure BDA0002282567560000071
以便于用于数字化控制中，初始权重矩阵选为零矩阵。
(5)将Fsmc与FΔ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁总力Fref，然后计算出一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i1ref，i2ref：
如果Fref>0,
Figure BDA0002282567560000072
如果Fref＜0,
Figure BDA0002282567560000073
其中，g0为转子在平衡位置时的名义气隙长度，km为与主动磁悬浮轴承结构相关的参数。
该种电流分配方式使得任意时刻一对磁悬浮轴承中至多只有一个线圈中通有电流，从而降低了功耗。
(6)所述参考电流i1ref，i2ref分别作为一对主动磁悬浮轴承的两个电流调节器(即第一电流调节器和第二电流调节器)的参考输入，所述两个电流调节器分别控制一对主动磁悬浮轴承两个线圈中的电流，从而最终达到控制转子位置保持在平衡位置的目的。其中，所述电流调节器可以为比例调节器或者比例积分调节器。
如图4所示，对于存在多对主动磁悬浮轴承的多自由度系统，对每对磁悬浮轴承分别进行控制，且所有控制器均具有与单自由度控制器相同的控制结构和方法。该系统有N对主动磁悬浮轴承，没对主动磁悬浮轴承对应一个局部位移传感器和一个局部控制器(一个局部位移传感器和一个局部控制器的结构与上述单自由度系统中的控制器结构相同)；每个局部位移传感器对应采集相应的转子局部位移信号测量值，并将该测量值输入至对应的局部控制器中，每个局部控制器用于控制相对应的一对主动磁悬浮轴承中的两个线圈中的电流，从而控制相应转子局部位置保持在平衡位置；当每个局部控制器都将相对应的磁悬浮轴承转子的局部位置控制在平衡位置，则可以将整个转子控制在平衡位置。此外，每个局部控制器的控制参数需要根据各自的磁悬浮轴承结构参数进行调整。
本发明的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，适用于单自由度主动磁悬浮轴承系统和多自由度主动磁悬浮轴承系统，单自由度主动磁悬浮轴承系统包括一个上述控制器，多自由度主动磁悬浮轴承系统包括多个结构相同的控制器，其中每个控制器均具有以下控制步骤：利用位移传感器获取转子位移信号测量值；转子位移信号测量值输入到锁相环计算得到转子位移信号计算值和转子速度信号计算值；将转子位移信号计算值和转子速度信号计算值反馈到转子位置控制器，通过转子位置控制器调节得到所需要的电磁力Fsmc，其中，转子位置控制器为滑模控制器；同时，转子位移信号计算值、转子速度信号计算值以及滑模变量s输入到单层神经网络调节器中，计算得到补偿力FΔ，用以抵消未建模的非线性项和外部扰动；将Fsmc和FΔ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁总力Fref，然后计算出参考电流；所述参考电流作为电流调节器的参考输入，通过电流调节器控制磁悬浮轴承线圈电流，从而最终达到控制转子到平衡位置的目的。本发明三段级联控制结构简单灵活，加入结构简单的单层神经网络调节器抑制系统的不确定性因素和外部扰动，在提高控制系统鲁棒性的同时，保证了控制系统的简洁高效。

Claims (9)

1.一种用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器，其特征在于，包括位移传感器、锁相环、转子位置控制器、神经网络调节器、第一电流调节器和第二电流调节器，其中，转子位置控制器为滑模控制器，位移传感器用于采集一对主动磁悬浮轴承中转子位移信号测量值xs，并将转子位移信号测量值xs输入至锁相环，锁相环计算得到的转子位移信号计算值
Figure FDA0002282567550000016
和转子速度信号计算值
Figure FDA0002282567550000019
反馈到转子位移控制器中，获得电磁力Fsmc；另外，转子位移信号计算值
Figure FDA0002282567550000017
和转子速度信号计算值
Figure FDA0002282567550000018
以及滑模变量s输入到神经网络调节器，计算得到补偿力FΔ；Fsmc与FΔ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁力Fref，然后计算出一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i1ref，i2ref；参考电流i1ref和i2ref分别输入第一电流调节器和第二电流调节器中，用于分别控制一对主动磁悬浮轴承中的两个线圈中的电流，从而达到控制转子位置保持在平衡位置的目的。
2.根据权利要求1所述的一种用于控制主动磁悬浮轴承系统的控制器，其特征在于，神经网络调节器为单层神经网络调节器。
3.一种采用权利要求1所述控制器控制主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过位移传感器检测转子位移信号测量值xs；
(2)将转子位移信号测量值xs输入到锁相环，计算得到转子位移信号计算值
Figure FDA0002282567550000011
和转子速度信号计算值
Figure FDA0002282567550000012
(3)将转子位移信号计算值
Figure FDA0002282567550000013
和转子速度信号计算值
Figure FDA00022825675500000110
反馈到转子位置控制器中，通过转子位置控制器的调节获得所需电磁力Fsmc；
(4)同时，将转子位移信号计算值
Figure FDA0002282567550000014
和转子速度信号计算值
Figure FDA0002282567550000015
以及滑模变量s输入到单层神经网络调节器，计算得到补偿力FΔ；
(5)Fsmc与FΔ之和作为将转子控制到平衡位置时所需要的电磁总力Fref，然后计算出一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i1ref，i2ref；
(6)参考电流i1ref，i2ref分别作为一对主动磁悬浮轴承的第一电流调节器和第二电流调节器的参考输入，第一电流调节器和第二电流调节器分别控制一对主动磁悬浮轴承两个线圈中的电流，从而最终达到控制转子位置，使其保持在平衡位置的目的。
4.根据权利要求3所述的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，步骤(2)中锁相环对转子位移信号计算值
Figure FDA0002282567550000021
和转子速度信号计算值
Figure FDA0002282567550000022
的计算公式如下：
Figure FDA0002282567550000023
Figure FDA0002282567550000024
其中，
Figure FDA0002282567550000025
为当前采样时刻的转子位移信号计算值，
Figure FDA0002282567550000026
为下一采样时刻的转子位移信号计算值，
Figure FDA0002282567550000027
为当前采样时刻的速度信号计算值，
Figure FDA0002282567550000028
为下一采样时刻的速度信号计算值，当前采样时刻的转子位移信号误差
Figure FDA0002282567550000029
xs(k)为当前采样时刻的位移传感器测得的转子位移信号测量值，Ts为采样周期，Kn和Kv为锁相环的系数，其值决定了锁相环的带宽；
则锁相环计算所得的转子位移信号计算值取
Figure FDA00022825675500000210
转子速度信号计算值取
Figure FDA00022825675500000211
5.根据权利要求3所述的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，步骤(3)中转子位置控制器为滑模控制器，其基于以下运动模型设计：
Figure FDA00022825675500000212
其中，m为转子质量，
Figure FDA00022825675500000213
为转子加速度，ΣF为转子所受电磁合力，Δ为未建模的非线性因素以及扰动；
滑模控制器的滑模变量选取为：
Figure FDA00022825675500000214
其中，当前采样时刻的转子位移信号误差
Figure FDA00022825675500000215
速度误差
Figure FDA00022825675500000216
c为一正常数；
滑模控制器采用趋近率方式设计，趋近率采用：
Figure FDA00022825675500000217
其中，ks和δ均为正常数，sgn(s)为符号函数；
通过(3)(4)和(5)，得到滑模控制器的控制输出电磁力为：
Figure 2
6.根据权利要求3所述的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，步骤(4)中单层神经网络调节器的输入选取为
Figure FDA0002282567550000031
其输出为：
Figure FDA0002282567550000032
其中，
Figure FDA0002282567550000033
为单层神经网络调节器当前采样时刻的权重矩阵，σ(q)为单层神经网络调节器的激活函数，选取为：
Figure FDA0002282567550000034
7.根据权利要求3所述的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，单层神经网络调节器的权重矩阵按照以下更新率进行更新：
Figure FDA0002282567550000035
其中F为一对称正定矩阵，κ为一小值正常数；
权重矩阵更新率公式(9)离散化为：
Figure FDA0002282567550000036
8.根据权利要求3所述的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，步骤(5)中一对主动磁悬浮轴承所需要的参考电流i1ref，i2ref的计算公式为：
如果Fref>0,
Figure FDA0002282567550000037
如果Fref＜0,
Figure FDA0002282567550000038
其中，g0为转子在平衡位置时的名义气隙长度，km为与主动磁悬浮轴承结构相关的参数。
9.根据权利要求3所述的一种主动磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，步骤(6)中电流调节器为比例调节器或者比例积分调节器。
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