一種交流磁軸承容錯解耦控制器的構(gòu)造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種交流磁軸承容錯解耦控制器的構(gòu)造方法，包括以下步驟：1）構(gòu)造復(fù)合被控對象；2）構(gòu)造支持向量機(jī)逆模型庫；3）選擇支持向量機(jī)逆模型庫中的支持向量機(jī)逆模型作為復(fù)合被控對象的支持向量機(jī)逆模型，實現(xiàn)復(fù)合被控對象的逆系統(tǒng)功能，將支持向量機(jī)逆模型庫串聯(lián)于復(fù)合被控對象之前組成偽線性系統(tǒng)，偽線性系統(tǒng)被線性化解耦為2個二階積分型位移線性子系統(tǒng)；4）針對2個二階積分型位移線性子系統(tǒng)，分別設(shè)計2個徑向位置控制器來構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；5）將線性閉環(huán)控制器和支持向量機(jī)逆模型庫共同構(gòu)成支持向量機(jī)逆容錯解耦控制器，對復(fù)合被控對象進(jìn)行容錯解耦控制。
【專利說明】一種交流磁軸承容錯解耦控制器的構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及交流磁軸承容錯解耦控制器的構(gòu)造方法，適用于交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)的高性能、高可靠性控制，屬于特種電氣傳動(特別是磁懸浮傳動)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]為了適應(yīng)現(xiàn)代裝備及先進(jìn)制造業(yè)朝著高效、高速高精、智能化、低功耗且實現(xiàn)綠色制造發(fā)展的趨勢，要求其領(lǐng)域所采用的磁軸承具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、成本低、可靠性高等特點。交流徑向主動磁軸承基于交流勵磁，只需采用單個三相CRPWM功率逆變器即可實現(xiàn)徑向兩自由度的懸浮控制，并且三相CRPWM逆變器技術(shù)已經(jīng)十分成熟，相比較直流功放具有體積小、成本低、功耗低等顯著優(yōu)點，而且成熟的三相交流電機(jī)檢測及數(shù)字控制技術(shù)均可借鑒，因此交流徑向主動磁軸具有更重要的研究意義和更廣闊的應(yīng)用前景。然而，隨著交流徑向主動磁軸在超高速超精密數(shù)控機(jī)床等特種傳動領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其安全和可靠性問題也日益受到關(guān)注，因此研究并提高交流徑向主動磁軸浮系統(tǒng)的可靠性，以及研究其容錯驅(qū)動控制策略，同樣具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近原系統(tǒng)的逆模型，克服了解析逆控制方法在實際應(yīng)用中逆模型難以求取的瓶頸問題，取得了一定成效。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身存在的訓(xùn)練時間較長、學(xué)習(xí)速度較慢、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易優(yōu)化、存在局部極小值等問題使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方法在實際應(yīng)用中的控制效果不佳。支持向量機(jī)以結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化為學(xué)習(xí)規(guī)則，很好的解決了以經(jīng)驗風(fēng)險最小化為學(xué)習(xí)規(guī)則的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷，使得支持向量機(jī)逆控制方法較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方法更具有應(yīng)用前景。但是，傳統(tǒng)的支持向量機(jī)逆控制方法只能實現(xiàn)系統(tǒng)正常運行時的解耦線性化，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時卻無能為力。因此為了使支持向量機(jī)逆控制方法具有更廣闊的應(yīng)用前景，并且提高交流徑向主動磁軸系統(tǒng)的可靠性，有必要研究支持向量機(jī)逆控制方法的新的擴(kuò)展形式來實現(xiàn)交流徑向主動磁軸在正常、以及帶故障運行工況下的非線性動態(tài)解耦控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)交流徑向主動磁軸系統(tǒng)在正常及帶故障狀態(tài)下的解耦控制，即容錯解耦控制，利用支持向量機(jī)逆理論，提出一種基于雙支持向量機(jī)逆模型的交流徑向主動磁軸系統(tǒng)容錯解耦控制器的構(gòu)造方法。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種交流磁軸承容錯解耦控制器的構(gòu)造方法，依次按以下步驟:
[0007]I)將Clark逆變換器和CRPWM逆變器依次串聯(lián)于交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)之前構(gòu)成復(fù)合被控對象；
[0008]2)采用第一支持向量機(jī)和4個積分器S—1構(gòu)造復(fù)合被控對象的正常支持向量機(jī)逆模型，采第二支持向量機(jī)和另外4個積分器S—1構(gòu)造復(fù)合被控對象的故障支持向量機(jī)逆模型；將正常支持向量機(jī)逆模型和故障支持向量機(jī)逆模型一起構(gòu)成支持向量機(jī)逆模型庫；[0009]3)選擇所述正常支持向量機(jī)逆模型或故障支持向量機(jī)逆模型作為復(fù)合被控對象的支持向量機(jī)逆模型，調(diào)整并確定第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)的向量系數(shù)和閾值使支持向量機(jī)逆模型庫實現(xiàn)復(fù)合被控對象的逆系統(tǒng)功能，將支持向量機(jī)逆模型庫串聯(lián)于復(fù)合被控對象之前組成偽線性系統(tǒng)，偽線性系統(tǒng)被解耦線性化為2個二階積分型位移線性子系統(tǒng)；
[0010]4)針對2個解耦線性化的二階積分型位移線性子系統(tǒng)，分別設(shè)計2個徑向位置控制器，從而構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；將線性閉環(huán)控制器和支持向量機(jī)逆模型庫共同構(gòu)成支持向量機(jī)逆容錯解耦控制器，對復(fù)合被控對象進(jìn)行容錯解耦控制。
[0011]步驟3)中所述支持向量機(jī)逆模型的確定方法為:根據(jù)故障檢測切換單元檢測復(fù)合被控對象的懸浮運行狀態(tài)，當(dāng)復(fù)合被控對象正常運行時，故障檢測切換單元選擇支持向量機(jī)逆模型庫中的正常支持向量機(jī)逆模型作為復(fù)合被控對象的逆模型，當(dāng)復(fù)合被控對象帶故障運行時，故障檢測切換單元選擇支持向量機(jī)逆模型庫中的故障支持向量機(jī)逆模型作為復(fù)合被控對象的逆模型。
[0012]步驟3)中，所述第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)的向量系數(shù)和閾值的確定方法為:在交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)無故障或帶故障懸浮運行的兩種工況下，分別采集復(fù)合被控對象的輸入控制電流信號Ux，iy}、以及輸出徑向位移信號lx，y}，并將徑向位移信號{x，y}離線求其一階、二階導(dǎo)數(shù)，并對信號進(jìn)行規(guī)范化處理，組成第一支持向量機(jī)或第二支
持向量機(jī)的訓(xùn)練樣本集丨&};第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)的核函
數(shù)選取為高斯核函數(shù)，并根據(jù)交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)實際懸浮運行情況選取合適的正則化參數(shù)和核寬度，訓(xùn)練第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)，從而確定第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)的向量系數(shù)與閾值。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
[0014]1、本發(fā)明利用雙支持向量機(jī)，構(gòu)造交流徑向主動磁軸系統(tǒng)在正常及帶故障運行時的支持向量機(jī)逆模型庫，實現(xiàn)交流徑向主動磁軸系統(tǒng)在正常、及帶故障運行時的線性化解耦控制，將交流徑向主動磁軸系統(tǒng)這一多輸入多輸出、非線性、強(qiáng)耦合的時變系統(tǒng)解耦成兩個線性單輸入單輸出位移子系統(tǒng)，從而將復(fù)雜的非線性強(qiáng)耦合控制問題轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚木€性控制問題。
[0015]2、本發(fā)明采用支持向量機(jī)辨識交流徑向主動磁軸系統(tǒng)的正常逆模型或者故障逆模型，克服了傳統(tǒng)逆系統(tǒng)控制方法系統(tǒng)逆模型難以求取的瓶頸問題，而且也很好地解決了基于經(jīng)驗風(fēng)險最小化學(xué)習(xí)規(guī)則的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不足之處，具有較好的應(yīng)用價值和推廣性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是由Clark逆變換器1UCRPWM逆變器12和被控的交流徑向主動磁軸系統(tǒng)13組成復(fù)合被控對象I。
[0017]圖2是由正常支持向量機(jī)逆模型22和故障支持向量機(jī)逆模型24構(gòu)成支持向量機(jī)逆模型庫2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是將支持向量機(jī)逆模型庫2與復(fù)合被控對象I相串聯(lián)構(gòu)成偽線性系統(tǒng)3的示意圖及其等效圖。
[0019]圖4是由線性閉環(huán)控制器4與偽線性系統(tǒng)3實現(xiàn)容錯解耦控制的原理框圖。[0020]圖5是交流徑向主動磁軸系統(tǒng)支持向量機(jī)逆容錯解耦控制器5的原理框圖?！揪唧w實施方式】
[0021]本發(fā)明具體的實施分以下10步:
[0022]1、將Clark逆變換器11和CRPWM逆變器12串聯(lián)于交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)13之前構(gòu)成復(fù)合被控對象1，如圖1所示。該復(fù)合被控對象I以Ux，iy}兩個控制電流信號作為輸入，以轉(zhuǎn)子的徑向位移X、I作為輸出。
[0023]2、基于交流徑向主動磁軸承的懸浮運行原理，建立無交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)13的數(shù)學(xué)模型，并經(jīng)過Clark逆變換器11和CRPWM逆變器12，得到復(fù)合被控對象I的數(shù)學(xué)模型，對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可逆性分析，證明該數(shù)學(xué)模型可逆，即存在逆模型。
[0024]3、采用具有6個輸入節(jié)點、2個輸出節(jié)點的支持向量機(jī)21和4個積分器s—1構(gòu)成復(fù)合被控對象I正常支持向量機(jī)逆模型22，其中:支持向量機(jī)的第一個輸入為正常支持向量機(jī)逆模型的第一個輸入，其經(jīng)第一個積分器s—1的輸出為支持向量機(jī)的第二個輸入，再經(jīng)第二個積分器為支持向量機(jī)的第三個輸入；支持向量機(jī)的第四個輸入為正常支持向量機(jī)逆模型的第二個輸入，其經(jīng)第三個積分器s—1的輸出為支持向量機(jī)的第五個輸入，再經(jīng)第四個積分器為支持向量機(jī)的第六個輸入。支持向量機(jī)21與4個積分器一起構(gòu)成正常支持向量機(jī)逆模型22，支持向量機(jī)的輸出就是正常支持向量機(jī)逆模型的輸出。
[0025]4、采用具有6個輸入節(jié)點、2個輸出節(jié)點的支持向量機(jī)23和4個積分器s—1構(gòu)成復(fù)合被控對象I故障支持向量機(jī)逆模型24，其中:支持向量機(jī)的第一個輸入為故障支持向量機(jī)逆模型的第一個輸入，其經(jīng)第一個積分器s—1的輸出為支持向量機(jī)的第二個輸入，再經(jīng)第二個積分器為支持向量機(jī)的第三個輸入；支持向量機(jī)的第四個輸入為故障支持向量機(jī)逆模型的第二個輸入，其經(jīng)第三個積分器s—1的輸出為支持向量機(jī)的第五個輸入，再經(jīng)第四個積分器為支持向量機(jī)的第六 個輸入。支持向量機(jī)23與4個積分器一起構(gòu)成故障支持向量機(jī)逆模型24，支持向量機(jī)的輸出就是故障支持向量機(jī)逆模型24的輸出。
[0026]5、將正常支持向量機(jī)逆模型22和故障支持向量機(jī)逆模型24 —起構(gòu)成支持向量機(jī)逆模型庫2;并確定逆模型庫2輸入為徑向位移的二階導(dǎo)數(shù)?和尤輸出為控制電流匕和iy，如圖2所示。
[0027]6、在交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)無故障或帶故障懸浮運行的兩種工況下，分別采集復(fù)合被控對象I的輸入控制電流信號Ux，iy}、以及輸出徑向位移信號IX，y}，并將徑向位移信號k，y}離線求其一階、二階導(dǎo)數(shù)，并對信號進(jìn)行規(guī)范化處理，組成支持向量機(jī)(支持向量機(jī)21或支持向量機(jī)23 )的訓(xùn)練樣本集{ Xi，?，7，j.> V，K’ iy丨。支持向量機(jī)(支持向量機(jī)
21或支持向量機(jī)23)的核函數(shù)選取為高斯核函數(shù)，并根據(jù)交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)實際懸浮運行情況選取合適的正則化參數(shù)和核寬度，訓(xùn)練支持向量機(jī)(支持向量機(jī)21或支持向量機(jī)23),從而確定支持向量機(jī)(支持向量機(jī)21或支持向量機(jī)23)的向量系數(shù)與閾值。
[0028]7、根據(jù)故障檢測切換單元6檢測復(fù)合被控對象I的懸浮運行狀態(tài)，當(dāng)復(fù)合被控對象I正常運行時，故障檢測切換單元6選擇支持向量機(jī)逆模型庫2中的正常支持向量機(jī)逆模型22作為復(fù)合被控對象I的逆模型，當(dāng)復(fù)合被控對象I帶故障運行時，故障檢測切換單元6選擇支持向量機(jī)逆模型庫2中的故障支持向量機(jī)逆模型24作為復(fù)合被控對象I的逆模型。[0029]8、將支持向量機(jī)逆模型庫2串聯(lián)于復(fù)合被控對象I之前組成偽線性系統(tǒng)3，偽線性系統(tǒng)3被解耦線性化兩個二階積分型位移線性子系統(tǒng)，如圖3所示。
[0030]9、針對兩個解耦線性化的二階積分型位移線性子系統(tǒng)，分別設(shè)計兩個徑向位置控制器41、42，從而構(gòu)成線性閉環(huán)控制器4，如圖4所示。
[0031]10、將線性閉環(huán)控制器4和支持向量機(jī)逆模型庫2共同構(gòu)成支持向量機(jī)逆容錯解耦控制器5，對復(fù)合被控對象I進(jìn)行容錯解耦控制，如圖5所示。
[0032]根據(jù)以上所述，便可以實現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種交流磁軸承容錯解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征是依次按以下步驟: . 1)將Clark逆變換器和CRPWM逆變器依次串聯(lián)于交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)之前構(gòu)成復(fù)合被控對象； .2)采用第一支持向量機(jī)和4個積分器^構(gòu)造復(fù)合被控對象的正常支持向量機(jī)逆模型，采第二支持向量機(jī)和另外4個積分器S—1構(gòu)造復(fù)合被控對象的故障支持向量機(jī)逆模型；將正常支持向量機(jī)逆模型和故障支持向量機(jī)逆模型一起構(gòu)成支持向量機(jī)逆模型庫； .3)選擇所述正常支持向量機(jī)逆模型或故障支持向量機(jī)逆模型作為復(fù)合被控對象的支持向量機(jī)逆模型，調(diào)整并確定第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)的向量系數(shù)和閾值使支持向量機(jī)逆模型庫實現(xiàn)復(fù)合被控對象的逆系統(tǒng)功能，將支持向量機(jī)逆模型庫串聯(lián)于復(fù)合被控對象之前組成偽線性系統(tǒng)，偽線性系統(tǒng)被解耦線性化為2個二階積分型位移線性子系統(tǒng)； . 4)針對2個解耦線性化的二階積分型位移線性子系統(tǒng)，分別設(shè)計2個徑向位置控制器，從而構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；將線性閉環(huán)控制器和支持向量機(jī)逆模型庫共同構(gòu)成支持向量機(jī)逆容錯解耦控制器，對復(fù)合被控對象進(jìn)行容錯解耦控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流磁軸承容錯解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征在于，步驟3)中所述支持向量機(jī)逆模型的確定方法為:根據(jù)故障檢測切換單元檢測復(fù)合被控對象的懸浮運行狀態(tài)，當(dāng)復(fù)合被控對象正常運行時，故障檢測切換單元選擇支持向量機(jī)逆模型庫中的正常支持向量機(jī)逆模型作為復(fù)合被控對象的逆模型，當(dāng)復(fù)合被控對象帶故障運行時，故障檢測切換單元選擇支持向量機(jī)逆模型庫中的故障支持向量機(jī)逆模型作為復(fù)合被控對象的逆模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流磁軸承容錯解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征在于，步驟3)中，所述第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)的向量系數(shù)和閾值的確定方法為:在交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)無故障或帶故障懸浮運行的兩種工況下，分別采集復(fù)合被控對象的輸入控制電流信號Ux，iy}、以及輸出徑向位移信號IX，y}，并將徑向位移信號IX，y}離線求其一階、二階導(dǎo)數(shù)，并對信號進(jìn)行規(guī)范化處理，組成第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)的訓(xùn)練樣本集！ -v ^ ^ ^χ >.1' > y'.> - K > 1YI:第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)的核函數(shù)選取為高斯核函數(shù)，并根據(jù)交流徑向主動磁軸承系統(tǒng)實際懸浮運行情況選取合適的正則化參數(shù)和核寬度，訓(xùn)練第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)，從而確定第一支持向量機(jī)或第二支持向量機(jī)的向量系數(shù)與閾值。
【文檔編號】H02P21/00GK103490690SQ201310423427
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】孫曉東, 陳龍, 江浩斌, 楊澤斌, 李可 申請人:江蘇大學(xué)