CN112649192B - 一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统及控制方法 - Google Patents

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CN112649192B CN202011363571.3A CN202011363571A CN112649192B CN 112649192 B CN112649192 B CN 112649192B CN 202011363571 A CN202011363571 A CN 202011363571A CN 112649192 B CN112649192 B CN 112649192B
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Abstract

本发明公开一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统，与电磁加载装置连接，包括端头连接在一起且可同轴转动的轴a和轴b，轴a另一端连接有变频电机，轴a上设置有转速传感器，轴b另一端固定连接有动平衡装置，电磁加载装置、电涡流传感器设置于轴b上，电磁加载装置设置有力传感器；还包括依次连接的变送器、采集卡、上位机和控制器；本发明能够对电磁加载装置载荷模拟过程实施准确控制。本发明还公开一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，包括建立预测模型和模糊控制器，通过分析决策控制电磁铁电流、变频电机转速、轴b与电磁加载装置的电磁铁间隙达到设定值；本发明解决了电磁加载装置动态电磁力不稳定的问题，提高了电磁加载装置载荷模拟试验测试过程和结果的准确性与可靠性。

Description

一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于机电设备状态监测与控制技术领域，涉及一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统，还涉及一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法。
背景技术
加载装置是机电领域状态监测中模拟真实载荷的必要试验设备，其稳定性、可靠性在很大程度上直接影响试验与研究结果的准确性。传统的加载装置是接触式，即装置直接与被测对象接触，一般采用液压缸、滑轮-砝码等方式，这种接触式加载方式存在振动、发热、噪声以及摩擦磨损等问题，对测试试验结果影响较大。电磁加载是一种非接触加载方式，通过调节电磁铁电流改变电磁加载力的大小与方向，由于与被测对象不接触，可避免传统加载方式带来的上述问题。然而，目前电磁加载装置性能研究中，动态加载试验时会出现电磁力不稳定的现象，忽大忽小，变化忽快忽慢，这会极大影响轴、轴承等被测对象试验测试过程与结果的准确性与可靠性。根据文献资料搜索结果显示，已有文献对动态电磁力的影响因素进行了初步研究，例如，转速变化引起的磁阻力矩变化、涡流损耗等会引起电磁力变化，轴偏心引起的电磁铁气隙变化也会引起电磁力变化等，但现有研究均不完备和深入，特别是动态电磁力的控制系统与方法尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统，能够对电磁加载装置载荷模拟过程实施准确控制。
本发明的另一个目的是提供一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，解决了动态电磁力不稳定的难题。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统，与电磁加载装置连接，包括端头连接在一起且可同轴转动的轴a和轴b，轴a另一端连接有变频电机，轴a上设置有转速传感器，转速传感器用于采集变频电机转速，轴b另一端固定连接有动平衡装置，电磁加载装置设置于轴b上，电磁加载装置设置有力传感器，力传感器用于采集电磁加载装置的电磁力数据，轴b上还设置有电涡流传感器，电涡流传感器位于电磁加载装置与动平衡装置之间，电涡流传感器用于采集轴b与电磁加载装置的间隙数据；
还包括依次连接的变送器、采集卡、上位机和控制器，控制器分别与变频电机、电磁加载装置、动平衡装置连接，变送器分别连接有转速传感器、力传感器、电涡流传感器、电流传感器，电流传感器用于采集电磁加载装置的电磁铁电流数据。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
变频电机与轴a通过联轴器a连接，轴a与轴b通过联轴器b连接。
采集卡为NI 6024E PCI板卡，采集卡与变送器通过接线板连接，采集卡与上位机通过68针专用连接器连接；上位机与控制器通过RS232-485接口连接。
动平衡装置包括设置在轴b外部的四个U形磁铁，四个U形磁铁围成一圆周，且四个U形磁铁开口朝向圆心、均匀分布在该圆周上，U形磁铁上设置有两偏置电流线圈和两控制电流线圈，两偏置电流线圈、两控制电流线圈均对称设置在U形磁铁上，且偏置电流线圈较控制电流线圈更靠近U形磁铁开口。
变送器包括依次连接的转速传感器调理模块、力传感器调理模块、电流传感器调理模块和电涡流传感器调理模块；
转速传感器调理模块将转速传感器输出的信号处理后，转换成4～20mA电流、1～5V电压信号输出；力传感器调理模块将力传感器输出的信号进行滤波放大后转换成0～10V电压信号输出；电流传感器调理模块将电流传感器输出的电流信号调理为0～5V电压信号输出；电涡流传感器调理模块将电涡流传感器输出的信号调理为1～5V电压信号输出。
控制器包括连接在一起的可编程逻辑控制器PLC和固态调压器，固态调压器包括依次连接的电源同步变压器、移相控制电路和主回路可控硅，电源同步变压器与PLC连接，分别与变频电机、电磁加载装置、动平衡装置连接。
本发明的第二种技术方案是，一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，该方法应用本发明第一种技术方案的一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统实现，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在上位机中建立预测模型和模糊控制器；
步骤2、通过静态电磁力标定实验获得静态电磁力与电磁铁电流的转换系数，通过动态电磁力标定实验获得动态电磁力与电磁铁电流、变频电机转速、轴b与电磁加载装置间隙的转换系数；
步骤3、启动动态电磁力控制系统，根据试验工况要求，在上位机设定试验载荷模拟值即设定值，包括电磁力值，以及对应的电磁铁电流、变频电机转速、轴b与电磁加载装置间隙；
步骤4、通过电流传感器、转速传感器、电涡流传感器和力传感器分别实时监测电磁铁电流、变频电机转速、轴b与电磁加载装置间隙以及电磁加载装置的动态电磁力，得到实测值，并将实测值与设定值进行比较，得到误差值，将误差值与误差变化率输入上位机中的模糊控制器和预测模型中进行决策，并通过预测模型给出精准控制量至控制器；
控制器输出三路控制信号，一路控制信号控制电磁铁电流，使其达到设定值；第二路控制信号控制变频电机转速，使其达到设定值；第三路控制信号控制动平衡装置，使轴b与电磁加载装置的间隙达到设定值；
最终使得电磁力保持稳定，完成闭环控制。
本发明第二种技术方案的特点还在于，
通过静态电磁力标定实验获得静态电磁力与电磁铁电流的转换系数具体为，通过控制器输出控制信号调节电磁加载装置的电磁铁电流，通过电磁加载装置上安装的力传感器采集电磁力，将力传感器输出的信号送至变送器进行滤波放大后转换成电压信号输出，将电压信号送至采集卡进行采样，最后将采样信号通过USB接口送至上位机，分析获得静态电磁力与电磁铁电流之间的变化关系，并设定静态电磁力与电磁铁电流的转换系数；
通过动态电磁力标定实验获得动态电磁力与电磁铁电流、变频电机转速、轴b与电磁加载装置的间隙的转换系数具体为，通过控制器输出控制信号调节变频电机转速和电磁加载装置的电磁铁电流，通过转速传感器采集变频电机转速数据，通过电涡流传感器采集轴b与电磁加载装置的间隙数据，此时通过力传感器采集动态电磁力，然后将转速传感器、电涡流传感器与力传感器输出的信号送至变送器进一步处理，再将变送器处理过后的信号送至采集卡进行采样，得到采样信号，将采样信号通过USB接口送至上位机，分析获得动态电磁力与变频电机转速、轴b与电磁加载装置的间隙之间的变化关系，并设定动态电磁力与电磁铁电流、变频电机转速、轴b与电磁加载装置的间隙的转换系数。
模糊控制器进行决策采用误差值e及其变化率e’作为输入量，经过确定论域、输入量变换及模糊决策后，输出输出量c，通过控制器控制驱动器动作，该过程具体为：
确定模糊论域：输入量e、e’和输出量c的实际取值范围称为模糊控制系统的基本论域，将基本论域划分为离散取值的有限集，可得到输入与输出量的模糊论域。基本论域内的量为精确量，假设输入量e的基本论域为[-xe，xe]，e’的基本论域为[-xc，xc]，输出量c的基本论域为[-yw，yu]，则为了保证诸模糊集能较好地覆盖论域，同时满足模糊论域中所含元素个数为模糊语言词集总数的二倍以上这个条件，输入量e与e’的模糊论域取为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]，输出量c的模糊论域取为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]；
输入量变换：输入量e、e’分别进行下述尺度变换后作为r1、r2，
Figure BDA0002804740230000051
上式中，
Figure BDA0002804740230000052
[xmin，xmax]分别为输入量的基本论域与模糊论域，
Figure BDA0002804740230000053
为模糊量化因子；
模糊决策：由模糊计算得出控制表，控制表是输入和输出论域元素的对应关系，其中，输出论域可能不为整数值；输入r1、r2模糊化后，通过模糊集合与隶属度的对应关系，转换为对应隶属度的值，再通过控制表查找对应的输出论域元素，确定输出量c，即可完成决策，决策后输出c驱动控制器动作；
预测模型包括柔化处理、调节和预测，具体为，在任一时刻，将设定值经过柔化处理后输出参考轨迹，对参考轨迹调节后得到该时刻设定值对应的控制增量，控制增量进行预测处理得到控制量并作用于被控对象，被控对象为电磁加载装置或变频电机或动平衡装置，在考虑外界扰动的情况下得到输出值，输出值被分别反馈到柔化处理与预测处理中，完成整个闭环预测过程。
步骤4具体为：
当轴b与电磁加载装置的间隙改变，通过电涡流传感器获得轴b位移大小与方向，并确定相位角，将相位角输入到模糊控制器锁相环中保证动平衡装置输出控制力与不平衡力方向相反；将轴b位移进行正交分解，同时将位移量视作偏差，计算得到偏差变化率，通过偏差和偏差变化率的模糊论域决策后得到动平衡装置应该加载的控制力大小，再通过静态电磁力与电磁铁电流的转换系数得到动平衡装置的偏置电流线圈应施加的电流值；将轴b与电磁加载装置的间隙设定值输入预测模型中，由电磁铁电磁力与电磁铁电流之间的滞后特性计算得出电磁力滞后时间，并以减小滞后时间为目标，通过改变模糊控制器调节处理的加权系数精确设定控制电流线圈的控制电流，通过控制器将控制电流值输入动平衡装置的控制电流线圈，对电磁加载装置过瞬态平衡位置时的惯性震荡进行抑制，最后通过控制器启动动平衡装置上与轴b位移方向相反位置的U形磁铁，使轴b与电磁加载装置的间隙达到设定值；
当变频电机转速发生变化，通过转速传感器获得变频电机转速实测值，计算变频电机转速设定值与实测值的误差及误差变化率，并输入模糊控制器转速模糊论域与预测模型中，决策之后输出变频电机转速控制量，通过控制器调节变频电机转速达到其设定值；
当电磁加载装置的电磁铁电磁力发生变化时，此时轴b与电磁加载装置的间隙、变频电机转速发生变化，计算电磁力、轴b与电磁加载装置的间隙、变频电机转速的误差及其变化率，并输入模糊控制器模糊论域与预测模型中决策后，得到电磁加载装置的电磁线圈电流控制量，同时控制轴b与电磁加载装置的间隙达到设定值，以及变频电机转速达到设定值，最终使得电磁加载装置的电磁铁电磁力达到设定值；
上述三路控制操作中优先执行使轴b与电磁加载装置的电磁铁间隙达到设定值的操作步骤。
本发明的有益效果是：本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统，通过实验获得动态电磁力与变频电机转速、轴与电磁加载装置间隙之间的数值变化规律与转换系数，在动态载荷模拟过程中，当动态电磁力、变频电机转速、轴与电磁加载装置间隙等参数实测值与设定值存在误差时，控制系统自动误差及误差变化率送入上位机中的模糊控制器和预测模型中进行决策，并通过预测模型给出精准控制量至控制器，进而控制动态电磁力、变频电机转速、轴与电磁加载装置间隙等参数达到设定值并保持稳定，完成闭环控制过程；因此，能够在动态载荷模拟过程中对电磁加载装置实施准确控制，解决了电磁加载装置动态电磁力不稳定的问题，提高了电磁加载装置载荷模拟试验测试过程和结果的准确性与可靠性。
附图说明
图1是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统的结构示意图；
图2是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统中动平衡装置的结构示意图；
图3是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统中变送器的结构示意图；
图4是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法的示意框图；
图5是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法的流程图；
图6是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法的模糊控制器结构图；
图7是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法的偏心距隶属度函数曲线；
图8是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法的偏心距导数隶属度函数曲线；
图9是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法的电磁加载力隶属度函数曲线；
图10是本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法的专家库矩阵三维图。
图中，1.电磁加载装置，2.轴a，3.轴b，4.变频电机，5.转速传感器，6.动平衡装置，7.力传感器，8.电涡流传感器，9.变送器，10.采集卡，11.上位机，12.控制器，13.电流传感器，14.联轴器a，15.联轴器b，16.U形磁铁，17.偏置电流线圈，18.控制电流线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统，与电磁加载装置1连接，如图1所示，包括端头连接在一起且可同轴转动的轴a2和轴b3，轴a2另一端连接有变频电机4，轴a2上设置有转速传感器5，转速传感器5用于采集变频电机4转速，轴b3另一端固定连接有动平衡装置6，电磁加载装置1设置于轴b3上，电磁加载装置1设置有力传感器7，力传感器7用于采集电磁加载装置1的电磁力数据，轴b3上还设置有电涡流传感器8，电涡流传感器8位于电磁加载装置1与动平衡装置6之间，电涡流传感器8用于采集轴b3与电磁加载装置1的电磁铁间的间隙数据；
还包括依次连接的变送器9、采集卡10、上位机11和控制器12，控制器12分别与变频电机、电磁加载装置1、动平衡装置6连接，变送器9分别连接有转速传感器5、力传感器7、电涡流传感器8、电流传感器13，电流传感器13用于采集电磁加载装置1的电磁铁电流数据。
变频电机4与轴a2通过联轴器a14连接，轴a2与轴b3通过联轴器b15连接。
采集卡10为NI 6024E PCI板卡，采集卡10与变送器9通过接线板连接，采集卡10与上位机11通过68针专用连接器连接；上位机11与控制器通过RS232-485接口连接。
如图2所示，动平衡装置包括设置在轴b3外部的四个U形磁铁16，四个U形磁铁16围成一圆周，且四个U形磁铁16开口朝向圆心、均匀分布在该圆周上，U形磁铁16上设置有两偏置电流线圈17和两控制电流线圈18，两偏置电流线圈17、两控制电流线圈18均对称设置在U形磁铁16上，且偏置电流线圈17较控制电流线圈18更靠近U形磁铁16开口。
如图3所示，变送器包括依次连接的转速传感器调理模块、力传感器调理模块、电流传感器调理模块和电涡流传感器调理模块；
转速传感器调理模块将转速传感器5输出的信号处理后，转换成4～20mA电流、1～5V电压信号输出；力传感器调理模块将力传感器7输出的信号进行滤波放大后转换成0～10V电压信号输出；电流传感器调理模块将电流传感器13输出的电流信号调理为0～5V电压信号输出；电涡流传感器调理模块将电涡流传感器8输出的信号调理为1～5V电压信号输出。
控制器12包括连接在一起的可编程逻辑控制器PLC和固态调压器，固态调压器包括依次连接的电源同步变压器、移相控制电路和主回路可控硅，电源同步变压器与PLC连接，分别与变频电机4、电磁加载装置1、动平衡装置6连接。
转速传感器5的型号为HCNJ-101，供电电源24VDC，量程0～3000转/分，频率响应3mS；力传感器7的型号为CAZF-Y35，量程1T，灵敏度1.5±20％mV/V；电流传感器13的型号为Risym WCS1800，可测0.5A～35A的交直流信号；电涡流传感器8的型号为VB-Z9800，频率响应为0～5kHz，线性度<1％。
本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，如图4-5所示，该方法应用本发明一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在上位机11中建立预测模型和模糊控制器；
步骤2、通过静态电磁力标定实验获得静态电磁力与电磁铁电流的转换系数，通过动态电磁力标定实验获得动态电磁力与电磁铁电流、变频电机4转速、轴b3与电磁加载装置1的电磁铁间隙的转换系数；
通过静态电磁力标定实验获得静态电磁力与电磁铁电流的转换系数具体为，通过控制器12输出控制信号调节电磁加载装置1的电磁铁电流，通过电磁加载装置1上安装的力传感器7采集电磁力，将力传感器7输出的信号送至变送器9进行滤波放大后转换成电压信号输出，将电压信号送至采集卡10进行采样，最后将采样信号通过USB接口送至上位机11，分析获得静态电磁力与电磁铁电流之间的变化关系，并设定静态电磁力与电磁铁电流的转换系数；
通过动态电磁力标定实验获得动态电磁力与电磁铁电流、变频电机4转速、轴b3与电磁加载装置1的电磁铁间隙的转换系数具体为，通过控制器12输出控制信号调节变频电机4转速和电磁加载装置1的电磁铁电流，通过转速传感器5采集变频电机4转速数据，通过电涡流传感器8采集轴b3与电磁加载装置1的电磁铁间的间隙数据，此时通过力传感器7采集动态电磁力，然后将转速传感器5、电涡流传感器8与力传感器7输出的信号送至变送器9进一步处理，再将变送器处理过后的信号送至采集卡10进行采样，得到采样信号，将采样信号通过USB接口送至上位机11，分析获得动态电磁力与变频电机4转速、轴b3与电磁加载装置1的间隙之间的变化关系，并设定动态电磁力与电磁铁电流、变频电机4转速、轴b3与电磁加载装置1的间隙的转换系数。
步骤3、启动动态电磁力控制系统，根据试验工况要求，在上位机11设定试验载荷模拟值即设定值，包括电磁力值，以及对应的电磁铁电流、变频电机4转速、轴b3与电磁加载装置1的间隙；
步骤4、通过电流传感器13、转速传感器5、电涡流传感器8和力传感器7分别实时监测电磁铁电流、变频电机4转速、轴b3与电磁加载装置1的间隙以及电磁加载装置1的动态电磁力，得到实测值，并将实测值与设定值进行比较，得到误差值，将误差值与误差变化率输入上位机11中的模糊控制器和预测模型中进行决策，并通过预测模型给出精准控制量至控制器12；
控制器输出三路控制信号，一路控制信号控制电磁铁电流，使其达到设定值；第二路控制信号控制变频电机4转速，使其达到设定值；第三路控制信号控制动平衡装置，使轴b3与电磁加载装置1的间隙达到设定值；
最终使得电磁力保持稳定，完成闭环控制。
步骤4具体为：
当轴b3与电磁加载装置1的间隙改变，通过电涡流传感器8获得轴b3位移大小与方向，并确定相位角，将相位角输入到模糊控制器锁相环中保证动平衡装置6输出控制力与不平衡力方向相反；将轴b3位移进行正交分解，同时将位移量视作偏差，计算得到偏差变化率，通过偏差和偏差变化率的模糊论域决策后得到动平衡装置6应该加载的控制力大小，再通过静态电磁力与电磁铁电流的转换系数得到动平衡装置6的偏置电流线圈17应施加的电流值；将轴b3与电磁加载装置1的间隙设定值输入预测模型中，由电磁铁电磁力与电磁铁电流之间的滞后特性计算得出电磁力滞后时间，并以减小滞后时间为目标，通过改变模糊控制器调节部分的加权系数精确设定控制电流线圈18的控制电流，通过控制器12将控制电流值输入动平衡装置6的控制电流线圈18，对电磁加载装置1过瞬态平衡位置时的惯性震荡进行抑制，最后通过控制器12启动动平衡装置6上与轴b3位移方向相反位置的U形磁铁16，使轴b3与电磁加载装置1的间隙达到设定值；
当变频电机4转速发生变化，通过转速传感器5获得变频电机4转速实测值，计算变频电机4转速设定值与实测值的误差及误差变化率，并输入模糊控制器转速模糊论域与预测模型中，决策之后输出变频电机4转速控制量，通过控制器12调节变频电机4转速达到其设定值；
当电磁加载装置1的电磁铁电磁力发生变化时，此时轴b3与电磁加载装置1的间隙、变频电机4转速发生变化，计算电磁力、轴b3与电磁加载装置1的间隙、变频电机4转速的误差及其变化率，并输入模糊控制器模糊论域与预测模型中决策后，得到电磁加载装置1的电磁线圈电流控制量，同时控制轴b3与电磁加载装置1的间隙达到设定值，以及变频电机4转速达到设定值，最终使得电磁加载装置1的电磁铁电磁力达到设定值；
上述三路控制操作中优先执行使轴b3与电磁加载装置1的间隙达到设定值的操作步骤。
其中，如图6所示，模糊控制器进行决策采用误差值e及其变化率e’作为输入量，经过确定论域、输入量变换及模糊决策后，输出输出量c，通过控制器(12)控制驱动器动作，该过程具体为：
确定模糊论域：输入量e、e’和输出量c的实际取值范围称为模糊控制系统的基本论域，将基本论域划分为离散取值的有限集，可得到输入与输出量的模糊论域。基本论域内的量为精确量，假设输入量e的基本论域为[-xe，xe]，e’的基本论域为[-xc，xc]，输出量c的基本论域为[-yw，yu]，则为了保证诸模糊集能较好地覆盖论域，同时满足模糊论域中所含元素个数为模糊语言词集总数的二倍以上这个条件，输入量e与e’的模糊论域取为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]，输出量c的模糊论域取为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]；
输入量变换：输入量e、e’分别进行下述尺度变换后作为r1、r2，
Figure BDA0002804740230000131
上式中，
Figure BDA0002804740230000132
[xmin，xmax]分别为输入量的基本论域与模糊论域，
Figure BDA0002804740230000141
为模糊量化因子；
模糊决策：由模糊计算得出控制表，控制表是输入和输出论域元素的对应关系，其中，输出论域可能不为整数值；输入r1、r2模糊化后，通过模糊集合与隶属度的对应关系，转换为对应隶属度的值，再通过控制表查找对应的输出论域元素，确定输出量c，即可完成决策，决策后输出c驱动控制器动作；
以动平衡装置为例，当轴与电磁加载装置间隙变化，以偏心距e及其偏导数e’作为输入量，动平衡装置的电磁铁加载力作为输出量c，其基本论域为各自实际取值范围，如偏心距e的实际取值范围为[-0.25,0.25]，将基本论域转化为模糊论域[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，输入量e’也是同理。
基于实际控制过程与控制经验，分别建立关于偏心距e及其偏导数e’和输出量c的隶属度函数，设定偏心距e模糊集合为[NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB]，偏心距偏导数e’和输出量c模糊集合为[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]；以高斯函数描述方法分别进行描述，偏心距e、偏心距导数e’的隶属度函数以及电磁加载力c的隶属度函数分别如式(19)、式(20)所示。偏心距、偏心距导数、电磁加载力的隶属度函数曲线分别如图7～图9所示，经过模糊运算后得到的专家库矩阵三维图如图10所示，Z坐标即为输出控制量。
Figure BDA0002804740230000151
Figure BDA0002804740230000152
预测模型包括柔化处理、调节和预测，具体为，在任一时刻，将设定值经过柔化处理后输出参考轨迹，对参考轨迹调节后得到该时刻设定值对应的控制增量，控制增量进行预测处理得到控制量并作用于被控对象，被控对象为电磁加载装置1或变频电机4或动平衡装置6，在考虑外界扰动的情况下得到输出值，输出值被分别反馈到柔化处理与预测处理中，完成整个闭环预测过程。

Claims (7)

1.一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，其特征在于，该方法应用一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统，一种电磁加载装置的动态电磁力控制系统与电磁加载装置（1）连接，包括端头连接在一起且可同轴转动的轴a（2）和轴b（3），所述轴a（2）另一端连接有变频电机（4），所述轴a（2）上设置有转速传感器（5），所述转速传感器（5）用于采集变频电机（4）转速，所述轴b（3）另一端固定连接有动平衡装置（6），所述电磁加载装置（1）设置于轴b（3）上，所述电磁加载装置（1）设置有力传感器（7），所述力传感器（7）用于采集电磁加载装置（1）的电磁力数据，所述轴b（3）上还设置有电涡流传感器（8），所述电涡流传感器（8）位于电磁加载装置（1）与动平衡装置（6）之间，所述电涡流传感器（8）用于采集轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间的间隙数据；
所述动平衡装置包括设置在轴b（3）外部的四个U形磁铁（16），四个所述U形磁铁（16）围成一圆周，且四个所述U形磁铁（16）开口朝向圆心、均匀分布在该圆周上，所述U形磁铁（16）上设置有两偏置电流线圈（17）和两控制电流线圈（18），两偏置电流线圈（17）、两控制电流线圈（18）均对称设置在U形磁铁（16）上，且偏置电流线圈（17）较控制电流线圈（18）更靠近U形磁铁（16）开口；
还包括依次连接的变送器（9）、采集卡（10）、上位机（11）和控制器（12），所述控制器（12）分别与变频电机、电磁加载装置（1）、动平衡装置（6）连接，所述变送器（9）分别连接有转速传感器（5）、力传感器（7）、电涡流传感器（8）、电流传感器（13），所述电流传感器（13）用于采集电磁加载装置（1）的电磁铁电流数据；
该动态电磁力控制方法具体按照以下步骤实施：
步骤1、在上位机（11）中建立预测模型和模糊控制器；
步骤2、通过静态电磁力标定实验获得静态电磁力与电磁铁电流的转换系数，通过动态电磁力标定实验获得动态电磁力与电磁铁电流、变频电机（4）转速、轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间隙的转换系数；
步骤3、启动动态电磁力控制系统，根据试验工况要求，在上位机（11）设定试验载荷模拟值即设定值，包括电磁力值，以及对应的电磁铁电流、变频电机（4）转速、轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间隙；
步骤4、通过电流传感器（13）、转速传感器（5）、电涡流传感器（8）和力传感器（7）分别实时监测电磁铁电流、变频电机（4）转速、轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间隙以及电磁加载装置（1）的动态电磁力，得到实测值，并将实测值与设定值进行比较，得到误差值，将误差值与误差变化率输入上位机（11）中的模糊控制器进行决策，并通过预测模型给出精准控制量至控制器（12）；
控制器输出三路控制信号，一路控制信号控制电磁铁电流，使其达到设定值；第二路控制信号控制变频电机（4）转速，使其达到设定值；第三路控制信号控制动平衡装置，使轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间隙达到设定值；
最终使得电磁力保持稳定，完成闭环控制；
所述步骤4具体为：
当轴b（3）与电磁加载装置（1）的间隙改变，通过电涡流传感器（8）获得轴b（3）位移大小与方向，并确定相位角，将相位角输入到模糊控制器锁相环中保证动平衡装置（6）输出控制力与不平衡力方向相反；将轴b（3）位移进行正交分解，同时将位移量视作偏差，计算得到偏差变化率，通过偏差和偏差变化率的模糊论域决策后得到动平衡装置（6）应该加载的控制力大小，再通过静态电磁力与电磁铁电流的转换系数得到动平衡装置（6）的偏置电流线圈（17）应施加的电流值；将轴b（3）与电磁加载装置（1）的间隙设定值输入预测模型中，由电磁铁电磁力与电磁铁电流之间的滞后特性计算得出电磁力滞后时间，并以减小滞后时间为目标，通过改变模糊控制器调节处理的加权系数精确设定控制电流线圈（18）的控制电流，通过控制器（12）将控制电流值输入动平衡装置（6）的控制电流线圈（18），对电磁加载装置（1）过瞬态平衡位置时的惯性震荡进行抑制，最后通过控制器（12）启动动平衡装置（6）上与轴b（3）位移方向相反位置的U形磁铁（16），使轴b（3）与电磁加载装置（1）的间隙达到设定值；
当变频电机（4）转速发生变化，通过转速传感器（5）获得变频电机（4）转速实测值，计算变频电机（4）转速设定值与实测值的误差及误差变化率，并输入模糊控制器转速模糊论域与预测模型中，决策之后输出变频电机（4）转速控制量，通过控制器（12）调节变频电机（4）转速达到其设定值；
当电磁加载装置（1）的电磁铁电磁力发生变化时，此时轴b（3）与电磁加载装置（1）的间隙、变频电机（4）转速发生变化，计算电磁力、轴b（3）与电磁加载装置（1）的间隙、变频电机（4）转速的误差及其变化率，并输入模糊控制器模糊论域与预测模型中决策后，得到电磁加载装置（1）的电磁线圈电流控制量，同时控制轴b（3）与电磁加载装置（1）的间隙达到设定值，以及变频电机（4）转速达到设定值，最终使得电磁加载装置（1）的电磁铁电磁力达到设定值；
上述三路控制信号的操作中优先执行使轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间隙达到设定值的操作步骤。
2.根据权利要求1所述的一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，其特征在于，所述变频电机（4）与轴a（2）通过联轴器a（14）连接，轴a（2）与轴b（3）通过联轴器b（15）连接。
3.根据权利要求1所述的一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，其特征在于，所述采集卡（10）为NI 6024E PCI板卡，所述采集卡（10）与变送器（9）通过接线板连接，所述采集卡（10）与上位机（11）通过68针专用连接器连接；所述上位机（11）与控制器通过RS232-485接口连接。
4.根据权利要求1所述的一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，其特征在于，所述变送器包括依次连接的转速传感器调理模块、力传感器调理模块、电流传感器调理模块和电涡流传感器调理模块；
所述转速传感器调理模块将转速传感器（5）输出的信号处理后，转换成4~20mA电流、1~5V电压信号输出；所述力传感器调理模块将力传感器（7）输出的信号进行滤波放大后转换成0~10V电压信号输出；所述电流传感器调理模块将电流传感器（13）输出的电流信号调理为0~5V电压信号输出；所述电涡流传感器调理模块将电涡流传感器（8）输出的信号调理为1~5V电压信号输出。
5.根据权利要求1所述的一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，其特征在于，所述控制器（12）包括连接在一起的可编程逻辑控制器PLC和固态调压器，所述固态调压器包括依次连接的电源同步变压器、移相控制电路和主回路可控硅，所述电源同步变压器与PLC连接，所述分别与变频电机（4）、电磁加载装置（1）、动平衡装置（6）连接。
6.根据权利要求1所述的一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，其特征在于，所述通过静态电磁力标定实验获得静态电磁力与电磁铁电流的转换系数具体为，通过控制器（12）输出控制信号调节电磁加载装置（1）的电磁铁电流，通过电磁加载装置（1）上安装的力传感器（7）采集电磁力，将力传感器（7）输出的信号送至变送器（9）进行滤波放大后转换成电压信号输出，将电压信号送至采集卡（10）进行采样，最后将采样信号通过USB接口送至上位机（11），分析获得静态电磁力与电磁铁电流之间的变化关系，并设定静态电磁力与电磁铁电流的转换系数；
所述通过动态电磁力标定实验获得动态电磁力与电磁铁电流、变频电机（4）转速、轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间隙的转换系数具体为，通过控制器（12）输出控制信号调节变频电机（4）转速和电磁加载装置（1）的电磁铁电流，通过转速传感器（5）采集变频电机（4）转速数据，通过电涡流传感器（8）采集轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间的间隙数据，此时通过力传感器（7）采集动态电磁力，然后将转速传感器（5）、电涡流传感器（8）与力传感器（7）输出的信号送至变送器（9）进一步处理，再将变送器处理过后的信号送至采集卡（10）进行采样，得到采样信号，将采样信号通过USB接口送至上位机（11），分析获得动态电磁力与变频电机（4）转速、轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间隙之间的变化关系，并设定动态电磁力与电磁铁电流、变频电机（4）转速、轴b（3）与电磁加载装置（1）的电磁铁间隙的转换系数。
7.根据权利要求1所述的一种电磁加载装置的动态电磁力控制方法，其特征在于，所述模糊控制器进行决策采用误差值e及其变化率e’作为输入量，经过确定论域、输入量变换及模糊决策后，输出输出量c，通过控制器（12）控制驱动器动作，该过程具体为：
确定模糊论域：输入量e、e’和输出量c的实际取值范围称为模糊控制系统的基本论域，将基本论域划分为离散取值的有限集，可得到输入与输出量的模糊论域，基本论域内的量为精确量，假设输入量e的基本论域为
Figure QLYQS_1
，e’的基本论域为
Figure QLYQS_2
，输出量c的基本论域为
Figure QLYQS_3
，则为了保证诸模糊集能较好地覆盖论域，同时满足模糊论域中所含元素个数为模糊语言词集总数的二倍以上这个条件，输入量e与e’的模糊论域取为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]，输出量c的模糊论域取为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]；
输入量变换：输入量e、e’分别进行下述尺度变换后作为r1、r2，
Figure QLYQS_4
上式中，
Figure QLYQS_5
、
Figure QLYQS_6
分别为输入量的基本论域与模糊论域，
Figure QLYQS_7
为模糊量化因子；
模糊决策：由模糊计算得出控制表，控制表是输入和输出论域元素的对应关系，其中，输出论域可能不为整数值；输入r1、r2模糊化后，通过模糊集合与隶属度的对应关系，转换为对应隶属度的值，再通过控制表查找对应的输出论域元素，确定输出量c，即可完成决策，决策后输出c驱动控制器动作；
所述预测模型包括柔化处理、调节和预测，具体为，在任一时刻，将设定值经过柔化处理后输出参考轨迹，对参考轨迹调节后得到该时刻设定值对应的控制增量，控制增量进行预测处理得到控制量并作用于被控对象，所述被控对象为电磁加载装置（1）或变频电机（4）或动平衡装置（6），在考虑外界扰动的情况下得到输出值，输出值被分别反馈到柔化处理与预测处理中，完成整个闭环预测过程。
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