CN114593148A - 一种电磁轴承转子系统控制方法及控制装置 - Google Patents

一种电磁轴承转子系统控制方法及控制装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种电磁轴承转子系统控制方法及控制装置，提高转子系统运行稳定性；根据本公开的第一方面，提供了一种电磁轴承转子系统控制方法，包括：获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数；根据电流刚度系数和位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数；基于位移刚度系数确定PID控制模型的积分系数；基于比例系数、微分系数和积分系数，利用PID控制模型控制转子系统。本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，可以提高转子系统运行稳定性。

Description

一种电磁轴承转子系统控制方法及控制装置
技术领域
本发明涉及控制系统技术领域，尤其涉及一种电磁轴承转子系统控制方法及控制装置。
背景技术
电磁轴承是一种无接触的新型支承形式，其非接触性、摩擦小、无磨损、转速高、无需润滑、寿命长等优点以及广阔的应用前景引起了国内外工程界和学术界的广泛关注，是目前机电工程和自动控制等领域研究的主要方向之一。
但转子系统的控制影响着转子振动的幅度，现有技术中的电磁轴承转子系统控制方法基于维纳滤波等方法进行控制，控制复杂且转子振动幅度大，导致转子系统运行稳定性差。
发明内容
为了解决现有技术中的至少一个技术问题，本公开提供了一种电磁轴承转子系统控制方法及控制装置，提高转子系统运行稳定性。
根据本公开的第一方面，提供了一种电磁轴承转子系统控制方法，包括：
获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数；
根据所述电流刚度系数和所述位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数；
基于所述位移刚度系数确定PID控制模型的积分系数；
基于所述比例系数、所述微分系数和所述积分系数，利用PID控制模型控制转子系统。
可选的，所述获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数，包括：
根据以下公式计算得到所述电流刚度系数：
Figure BDA0003542936620000011
根据以下公式计算得到所述位移刚度系数：
Figure BDA0003542936620000012
其中，kx表示位移刚度系数，ki表示电流刚度系数，μ0表示真空条件下的磁导率，N表示某一对级的线圈总匝数，A表示磁通面积，α表示磁极间夹角，I0表示偏置电流，x0表示初始间隙。
可选的，所述根据所述电流刚度系数和所述位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数包括：
根据以下公式确定PID控制模型的比例系数；
Figure BDA0003542936620000021
其中，P表示比例系数，As表示传感器增益，n表示调节系数，kx表示位移刚度系数，ki电流刚度系数。
可选的，所述根据所述电流刚度系数和所述位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数包括：
根据如下公式确定所述微分系数；
Figure BDA0003542936620000022
其中，D表示微分系数，ξ表示阻尼比，n表示调节系数，kx表示位移刚度系数，m表示转子质量，As表示传感器增益，ki表示电流刚度系数。
可选的，所述调节系数大于等于2且小于等于4。
可选的，所述调节系数为2。
可选的，所述基于所述位移刚度系数确定PID控制模型的积分系数包括：
根据如下公式确定根据积分系数的取值范围；
0<I<D(n-1)kx/m/As；
其中，I表示积分系数、D表示微分系数，n表示调节系数、kx表示位移刚度系数、m表示转子质量、As表示传感器增益；
根据积分系数的取值范围，确定积分系数。
可选的，所述基于所述比例系数、所述微分系数和所述积分系数，利用PID控制模型控制转子系统，包括：
基于比例系数、微分系数、积分系数和PID控制模型的传递函数，控制转子系统。
可选的，所述基于所述比例系数、微分系数和积分系数，控制转子系统之后，所述方法还包括：
获取电磁轴承的轴心轨迹；
根据所述轴心轨迹调整比例系数、微分系数或积分系数。
根据本公开的第二方面，提供了一种电磁轴承转子系统控制装置，包括：
获取模块，用于获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数；
第一确定模块，用于根据所述电流刚度系数和所述位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数；
第二确定模块，基于所述位移刚度系数确定PID控制模型的积分系数；
控制模块，用于基于所述比例系数、所述微分系数和所述积分系数，利用PID控制模型控制转子系统。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，基于电流刚度系数和位移刚度系数确定PID控制模型的比例系数、微分系数和积分系数，可以快速得到合理的比例系数、微分系数和积分系数；并基于合理的比例系数、微分系数和积分系数，通过相应的PID控制模型控制转子系统，可以使转子系统运行更稳定，进而提高转子系统运行的稳定性。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1示出了根据本公开示例性实施例的电磁轴承转子系统控制方法的流程图；
图2示出了根据本公开示例性实施例的PID控制示意图的示意性框图；
图3示出了根据本公开示例性实施例的被控转子系统的结构示意图；
图4示出了根据本公开示例性实施例的左端电磁轴承位置轴心轨迹图；
图5示出了根据本公开示例性实施例的右端电磁轴承位置轴心轨迹图；
图6示出了能够用于实现本公开的实施例的电磁轴承转子系统控制装置的结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
应当理解，本公开的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本公开的范围在此方面不受限制。
本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
以下参照附图描述本公开的方案：
参见图1，一种电磁轴承转子系统控制方法，包括：
S101，获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数；
S102，根据电流刚度系数和位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数；
S103，基于位移刚度系数确定PID控制模型的积分系数；
S104，基于比例系数、微分系数和积分系数，利用PID控制模型控制转子系统。
本实施方式，基于电流刚度系数和位移刚度系数确定PID控制模型的比例系数、微分系数和积分系数，可以快速得到合理的比例系数、微分系数和积分系数；并基于合理的比例系数、微分系数和积分系数，通过相应的PID控制模型控制转子系统，可以使转子系统运行更稳定。
其中，PID控制模型是采用PID控制算法的控制模型，PID控制算法指比例项(P-Proportional),积分项(I-Intergral),微分项(D-Derivative)的组合的一种控制算法。PID控制算法是一种线性的控制器，它根据给定值与实际输出值之差得到系统的控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合而成。可以知道的，可以在S101前先构建PID控制模型。
PID控制算法在时域的表达关系式为：
Figure BDA0003542936620000041
式中，P为比例系数，I为积分系数，D为微分系数，u(t)是控制器运算后输出的控制量，e(t)为系统的控制偏差。
经过拉氏变换，可得PID控制器的传递函数为：
Figure BDA0003542936620000051
其中，U(s)是对u(t)的拉普拉斯变换，E(s)是对输入量e(t)的拉普拉斯变换，P为比例系数，I为积分系数，D为微分系数，S为传递函数的参数。
由于大多数工业控制系统中存在储能元器件，因此系统对于外作用有一定的惯性，加上系统中各参数的变化，都会使系统的性能变差，为了改进控制效果，也存在PID的改进形式，例如：引入不完全微分项或将积分项分离等。
参见图2，图2为一种PID控制示意图，基于控制偏差e(t)，根据比例系数、积分系数、微分系数计算得到控制量u(t)，根据控制量u(t)控制被控对象。其中，可以知道的，本实施方式中，被控对象为转子系统，Ref表示参考信号，Y表示转轴位移。
参见图3，图3为一种被控电磁轴承转子系统的结构示意图，包括转轴300，转轴300上设置有第一传感器301、第一电磁轴承302、第二电磁轴承303、第二传感器304、第一盘305、第二盘306、第三盘307和第四盘308。第一传感器与第一电磁轴承相邻，第二传感器与第二电磁轴承相邻。可以知道的，改被控转子系统是本公开实施方式的方法一种应用场景。本公开实施方式的方法也可以应用到其他场景。第一盘305、第二盘306、第三盘307和第四盘308可以是键向盘、不平衡调节盘等。
可以知道的，可以在步骤S101先构建PID控制模型。
在一个实施方式中，获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数，包括：
根据以下公式计算得到电流刚度系数：
Figure BDA0003542936620000052
根据以下公式计算得到位移刚度系数：
Figure BDA0003542936620000053
其中，kx表示位移刚度系数，ki表示电流刚度系数，μ0表示真空条件下的磁导率，N表示某一对级的线圈总匝数，A表示磁通面积，α表示磁极间夹角，I0表示偏置电流，x0表示初始间隙。
上述电流刚度系数对于典型的八极径向电磁轴承得到的结果较为准确。
示例性的，电流刚度系数ki和位移刚度系数kx取值分别为240A/N和5.8×105N/m。
根据电流刚度系数和位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数包括：
根据以下公式确定PID控制模型的比例系数；
Figure BDA0003542936620000061
其中，P表示比例系数，As表示传感器增益，n表示调节系数，kx表示位移刚度系数，ki电流刚度系数。典型取值范围可以为2～4的任意值。当n在2附近取值时，电磁轴承的等效刚度与位移刚度系数kx相近，控制器能够得到良好的控制效果，因此是示例性的可以取n＝2。
示例性的，比例系数取值0.773。
在一个实施方式中，根据电流刚度系数和位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数包括：
根据如下公式确定微分系数；
Figure BDA0003542936620000062
其中，D表示微分系数，ξ表示阻尼比，n表示调节系数，kx表示位移刚度系数，m表示转子质量，As表示传感器增益，ki表示电流刚度系数。
示例性的，阻尼比ξ可在0.1～0.5范围内取值，示例性的，阻尼比ξ取值为0.3示例性的，调节系数大于等于2且小于等于4。
示例性的，调节系数为2。
示例性的，微分系数取值为0.0032。
在一个实施方式中，基于位移刚度系数确定PID控制模型的积分系数，包括：
根据如下公式确定根据积分系数的取值范围；
0<I<D(n-1)kx/m/As；
其中，I表示积分系数、D表示微分系数，n表示调节系数、kx表示位移刚度系数、m表示转子质量、As表示传感器增益；
根据积分系数的取值范围，确定积分系数。
I可以在上述取值范围中取值，示例性的，可以取值为最大值的1/3～2/3，示例性的，可取值最大值的一半左右，例如D(n-1)kx/m/As为16.57时，I可取值为8。
上述P、I和D确定后，可以根据情况继续微调。
示例性的，可以获取两个相邻的电磁轴承的轴心轨迹图，计算每相邻轴心轨迹图的图像差异，若图像差异总值超过设定值，则进行微调；否则不进行微调。
示例性的，基于本公开的电磁轴承转子系统控制方法控制图3的转子系统进行控制，获取的两个电磁轴承位置轴心轨迹图如图4和图5所示，其中，图4是左端电磁轴承位置轴心轨迹图，图5是右端电磁轴承位置轴心轨迹图，x表示x轴、y表示y轴，mm为位移单位。由图4和图5可见，转子系统稳定，控制效果较好，无需再进行微调。
在一个实施方式中，基于比例系数、微分系数和积分系数，控制转子系统，包括：
基于比例系数、微分系数、积分系数和PID控制模型的传递函数，控制转子系统。
在一个实施方式中，基于比例系数、微分系数和积分系数，控制转子系统之后，方法还包括：
获取电磁轴承的轴心轨迹图；
根据轴心轨迹图调整比例系数、微分系数或积分系数。
参见图6，一种电磁轴承转子系统控制装置，包括：
获取模块601，用于获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数；
第一确定模块602，用于根据电流刚度系数和位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数；
第二确定模块603，基于位移刚度系数确定PID控制模型的积分系统；
控制模块604，用于基于比例系数、微分系数和积分系数，利用PID控制模型控制转子系统。
在一个实施方式中，获取模块601，用于获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数时，具体用于包括：
根据以下公式计算得到电流刚度系数：
Figure BDA0003542936620000071
根据以下公式计算得到位移刚度系数：
Figure BDA0003542936620000072
其中，kx表示位移刚度系数，ki表示电流刚度系数，μ0表示真空条件下的磁导率，N表示某一对级的线圈总匝数，A表示磁通面积，α表示磁极间夹角，I0表示偏置电流，x0表示初始间隙。
在一个实施方式中，第一确定模块602用于根据电流刚度系数和位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数时，具体用于：
根据以下公式确定PID控制模型的比例系数；
Figure BDA0003542936620000081
其中，P表示比例系数，As表示传感器增益，n表示调节系数，kx表示位移刚度系数，ki电流刚度系数。
在一个实施方式中，第一确定模块602用于根据电流刚度系数和位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数时，具体用于：
根据如下公式确定微分系数；
Figure BDA0003542936620000082
其中，D表示微分系数，ξ表示阻尼比，n表示调节系数，kx表示位移刚度系数，m表示转子质量，As表示传感器增益，ki表示电流刚度系数。
示例性的，调节系数大于等于2且小于等于4。
示例性的，调节系数为2。
在一个实施方式中，第二确定模块603用于基于位移刚度系数确定PID控制模型的积分系统时，具体用于：
根据如下公式确定根据积分系数的取值范围；
0<I<D(n-1)kx/m/As；
其中，I表示积分系数、D表示微分系数，n表示调节系数、kx表示位移刚度系数、m表示转子质量、As表示传感器增益；
根据积分系数的取值范围，确定积分系数。
在一个实施方式中，控制模块604，用于基于比例系数、微分系数和积分系数，利用PID控制模型控制转子系统时，具体用于：
基于比例系数、微分系数、积分系数和PID控制模型的传递函数，控制转子系统。
在一个实施方式中，装置还包括微调模块，用于：
获取电磁轴承的轴心轨迹；
根据轴心轨迹调整比例系数、微分系数或积分系数。

Claims (10)

1.一种电磁轴承转子系统控制方法，其特征在于，包括：
获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数；
根据所述电流刚度系数和所述位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数；
基于所述位移刚度系数确定PID控制模型的积分系数；
基于所述比例系数、所述微分系数和所述积分系数，利用PID控制模型控制转子系统。
2.根据权利要求1所述的电磁轴承转子系统控制方法，其特征在于，所述获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数，包括：
根据以下公式计算得到所述电流刚度系数：
Figure FDA0003542936610000011
根据以下公式计算得到所述位移刚度系数：
Figure FDA0003542936610000014
其中，kx表示位移刚度系数，ki表示电流刚度系数，μ0表示真空条件下的磁导率，N表示某一对级的线圈总匝数，A表示磁通面积，α表示磁极间夹角，I0表示偏置电流，x0表示初始间隙。
3.根据权利要求1所述的电磁轴承转子系统控制方法，其特征在于，所述根据所述电流刚度系数和所述位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数包括：
根据以下公式确定PID控制模型的比例系数；
Figure FDA0003542936610000012
其中，P表示比例系数，As表示传感器增益，n表示调节系数，kx表示位移刚度系数，ki电流刚度系数。
4.根据权利要求1所述的电磁轴承转子系统控制方法，其特征在于，所述根据所述电流刚度系数和所述位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数包括：
根据如下公式确定所述微分系数；
Figure FDA0003542936610000013
其中，D表示微分系数，ξ表示阻尼比，n表示调节系数，kx表示位移刚度系数，m表示转子质量，As表示传感器增益，ki表示电流刚度系数。
5.根据权利要求3或4所述的电磁轴承转子系统控制方法，其特征在于，所述调节系数大于等于2且小于等于4。
6.根据权利要求5所述的电磁轴承转子系统控制方法，其特征在于，所述调节系数为2。
7.根据权利要求1所述的电磁轴承转子系统控制方法，其特征在于，所述基于所述位移刚度系数确定PID控制模型的积分系数包括：
根据如下公式确定根据积分系数的取值范围；
0<I<D(n-1)kx/m/As；
其中，I表示积分系数、D表示微分系数，n表示调节系数、kx表示位移刚度系数、m表示转子质量、As表示传感器增益；
根据积分系数的取值范围，确定积分系数。
8.根据权利要求1所述的电磁轴承转子系统控制方法，其特征在于，所述基于所述比例系数、所述微分系数和所述积分系数，利用PID控制模型控制转子系统，包括：
基于比例系数、微分系数、积分系数和PID控制模型的传递函数，控制转子系统。
9.根据权利要求1所述的电磁轴承转子系统控制方法，其特征在于，所述基于所述比例系数、微分系数和积分系数，控制转子系统之后，所述方法还包括：
获取电磁轴承的轴心轨迹；
根据所述轴心轨迹调整比例系数、微分系数或积分系数。
10.一种电磁轴承转子系统控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取电磁轴承对应的电流刚度系数和位移刚度系数；
第一确定模块，用于根据所述电流刚度系数和所述位移刚度系数，确定PID控制模型的比例系数和微分系数；
第二确定模块，基于所述位移刚度系数确定PID控制模型的积分系数；
控制模块，用于基于所述比例系数、所述微分系数和所述积分系数，利用PID控制模型控制转子系统。
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