径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统，位移偏差与负载转矩、期望转速共同输入至稳定平衡点计算模块中，稳定平衡点计算模块的输出依序串接反馈耗散哈密顿速度控制器、2/3变换模块、PWM逆变器、电流跟踪型逆变器和径向混合磁轴承，反馈耗散哈密顿速度控制器输出的是反馈控制量，PWM逆变器的输出经3/2变换模块连接反馈耗散哈密顿速度控制器，反馈耗散哈密顿速度控制器与磁链自适应更新律模块连接；系统的目标函数构建为哈密顿函数，基于目标函数下的动态闭环系统，结合适当的反馈控制律，能够快速估算磁链的改变值，使系统转速实现快速稳定，达到了控制精确度的要求。

A feedback dissipative Hamiltonian adaptive control system for radial hybrid magnetic bearings

The invention discloses a feedback dissipative Hamiltonian adaptive control system for radial hybrid magnetic bearings. Displacement deviation, load torque and desired speed are input to the calculation module of stable balance point together. The output of the calculation module of stable balance point is sequentially connected with feedback dissipative Hamiltonian speed controller, 2/3 conversion module and PWM inverter. The output of the feedback dissipative Hamiltonian speed controller is the feedback control variable. The output of the PWM inverter is connected with the feedback dissipative Hamiltonian speed controller by 3/2 conversion module, and the feedback dissipative Hamiltonian speed controller is connected with the flux adaptive update law module. The function is constructed as Hamiltonian function. Based on the dynamic closed-loop system under the objective function and combined with the appropriate feedback control law, the flux change value can be quickly estimated, so that the system speed can be fast and stable, and the control accuracy can be achieved.

【技术实现步骤摘要】
径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统
本专利技术属于无摩擦、非机械性接触的磁悬浮轴承领域，具体是对其进行调节控制的控制系统。
技术介绍
磁轴承作为一种新型的轴承形式，与飞轮储能技术相结合，消除了飞轮与轴承间的机械摩擦，具有低功耗和超高速运转等优良特性。其中，径向混合磁轴承就是一种能够同时实现径向两自由度控制的混合磁轴承，相比于主动磁轴承具有精度高、刚度性能优良可调、悬浮力可控等优点；其控制磁通由控制线圈产生，偏置磁通由永磁体产生，因此又具有成本低、寿命长、隔振性能好等优势。在磁轴承具有诸多优势的同时，控制上的难点主要集中体现在转子转动时的陀螺效应和不平衡力的干扰。将其应用于储能飞轮中，会受储能飞轮转子圆盘绕各惯性主轴的惯性矩比的影响，随着转速的不断提高，陀螺效应作用显著增强，各自由度间的耦合明显，尤其在多输入多输出系统中，往往一个输入量的变化会引起多个输出量的变化，而每个输出也不止受一个输入量的影响。因而需寻找合适的控制规律使闭环系统实现一个输出分量仅受一个输入分量的解耦控制。目前实现方法主要有基于耗散哈密顿双环路鲁棒控制系统，该技术考虑系统存在模型摄动和外部扰动等不确定性因素，通过建立系统的不确定动态模型，从系统的物理特性出发将动态模型转化为等价的耗散哈密顿系统模型。在内环控制中通过结构矩阵和能量函数重构实现平衡点的配置，外环控制中根据哈密顿理论设计鲁棒控制器提高系统对负载扰动的鲁棒性。此种方法考虑的因素不全面，虽能一定程度抑制系统陀螺效应和提高系统鲁棒性能，但实现步骤过于繁琐，设计复杂，运算量大，且受硬件条件影响，在工程上不易实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术的不足而提供一种针对径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统，具有更好的鲁棒性、跟踪伺服性、抗干扰性和更精确的控制精度。本专利技术所述的径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统采用的技术方案是：位移偏差ex、ey与负载转矩τL、期望转速ω0共同输入至稳定平衡点计算模块中，稳定平衡点计算模块的输出依序串接反馈耗散哈密顿速度控制器、2/3变换模块、PWM逆变器、电流跟踪型逆变器和径向混合磁轴承，反馈耗散哈密顿速度控制器输出的是反馈控制量ux、uy，PWM逆变器的输出经3/2变换模块连接反馈耗散哈密顿速度控制器。进一步地，所述的稳定平衡点计算模块输出的是期望电流值ix0、iy0分别是：分别为位移偏差ex、ey的自感；τL为负载转矩；ω0为期望转速；为径向混合磁轴承6中转子磁链值；np为极对数；B为粘滞摩擦系数。更进一步地，所述的反馈耗散哈密顿速度控制器输出的是反馈控制量是：Rs为径向混合磁轴承的定子电阻；ω为转子机械角速度；为3/2变换模块输出的电流值；r1、r2为阻尼参数，选取40～60；J为径向混合磁轴承的转动惯量J。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：1、考虑系统转子磁链变化(影响因素包括外界扰动和环境变化而发生的数值漂移)对系统转速、伺服精度等影响，构造系统虚拟能量参数，将耦合信号作虚拟干扰量处理，依据反馈耗散哈密顿理论，在二自由度坐标系下选择定子电流和转子转速为系统已知状态变量，通过建立系统目标函数，对其参数寻求最优解，得到磁链自适应控制律，从而实现自适应解耦控制并且能够抑制系统参数变化对系统速度跟踪伺服性能的影响，使系统具有更强的鲁棒性。其中系统的目标函数构建为哈密顿函数，基于目标函数下的动态闭环系统，结合适当的反馈控制律，以能量整形配合阻尼注入的控制方式，恰符合反馈耗散哈密顿系统框架的控制要求。2、本专利技术区别于传统耗散哈密顿实现方法，针对径向混合磁轴承这一研究对象，考虑更精确的干扰因素(磁链变化)，当磁链发生改变时，本专利技术中依据反馈耗散哈密顿理论设计的控制器能够快速估算磁链的改变值，使系统转速实现快速稳定，达到了控制精确度的要求。3、本专利技术利用自适应反馈耗散哈密顿理论最终得出的速度控制器较传统耗散哈密顿鲁棒控制能够更准确地跟踪系统受外部扰动变化的真实情况，能够保证系统的稳定性，且控制器只与状态变量速度和电流有关，对系统涉及的其它参数不敏感，鲁棒性更强，避免了系统参数不确定且数学建模过程有难度的困扰。4、本专利技术根据自适应反馈耗散哈密顿理论，首先以转子磁链已知情况下构建系统的目标哈密顿函数，简化了系统的设计过程；再针对转子磁链不确定情况，以转子磁链为虚拟能量参数，改善包含虚拟状态变量下的哈密顿函数，对涉及的参数寻求最优解，速度控制器和磁链自适应更新律可使闭环系统全局渐近稳定，有效地抑制了陀螺效应带来的影响。附图说明图1为本专利技术所述的径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统的结构框图；图中：1.稳定平衡点计算模块；2.反馈耗散哈密顿速度控制器；3.磁链自适应更新律模块；41.2/3变换模块；42.3/2变换模块；43.积分模块；51.PWM逆变器；52.电流跟踪型逆变器；6.径向混合磁轴承；71.X方向位移传感器；72.X方向位移接口电路；73.Y方向位移传感器；74.Y方向位移接口电路。具体实施方式本专利技术以径向混合磁轴承6为被控对象，分别通过X方向位移传感器71、Y方向位移传感器73采集其转子在径向二自由度的偏移x*′和y*′信号，X、Y方向径向偏移x*′和y*′信号分别经对应的X方向位移接口电路72、Y方向位移接口电路74输出，分别与转子径向二自由度参考位移x*和y*信号相比较，得到位移偏差ex和ey信号。位移偏差ex和ey信号输入至稳定平衡点计算模块1中，考虑被控对象存在的负载阻力会对工作时的转速产生不稳定影响且阻碍转子径向二自由度位移的自适应调整，因而同时将负载转矩τL和期望转速ω0作为稳定平衡点计算模块1的输入。稳定平衡点计算模块1的输出依序串接反馈耗散哈密顿速度控制器2、2/3变换模块41、PWM逆变器51、电流跟踪型逆变器52、径向混合磁轴承6。PWM逆变器51的输出还连接3/2变换模块42，3/2变换模块42的输出分别连接反馈耗散哈密顿速度控制器2和磁链自适应更新律模块3，反馈耗散哈密顿速度控制器2还与磁链自适应更新律模块3连接。将转子机械角速度ω和负载转矩τL输入到积分模块43，经积分模块43积分后获得空间角θ＝∫ωdt+ξτL，其中t为积分变量；dt为t的微分；ξ为负载转矩τL的影响系数，与被控对象参数有关。然后将空间角θ分别输入到2/3变换模块41和3/2变换模块42中，作为坐标变换的参数。稳定平衡点计算模块1依据最大转矩/电流控制原理的运行思想，即在满足被控对象的负载转矩τL要求的前提下，尽可能地减小其定子电流的幅值大小，从而提高被控对象稳态时的运行效率。在负载转矩τL已知的情况下，稳定平衡点计算模块1通过分析与推导，建立输入输出关系为：式中，ix0、iy0为被控对象稳定运行在期望转速ω0时的期望电流值；分别为位移偏差ex、ey信号方向上的自感；为径向混合磁轴承6中转子磁链值；np为极对数；B为粘滞摩擦系数。由式(1-1)可知，ix0＝f(τL)，其中f为函数对应法则。在计算机实现时，根据数值精度要求，利用式(1-1)建立负载转矩τL与期望电流值ix0之间的数值对应存储表。对于给定的一个负载转矩τL，通过查表可确定相应的ix0，再利用式(1-2)即可计算求得期望电流值iy0。经稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统，径向X、Y方向的偏移和参考位移相比较得到位移偏差ex、ey，其特征是：位移偏差ex、ey与负载转矩τL、期望转速ω0共同输入至稳定平衡点计算模块(1)中，稳定平衡点计算模块(1)的输出依序串接反馈耗散哈密顿速度控制器(2)、2/3变换模块(41)、PWM逆变器(51)、电流跟踪型逆变器(52)和径向混合磁轴承，反馈耗散哈密顿速度控制器(2)输出的是反馈控制量ux、uy，PWM逆变器(51)的输出经3/2变换模块(42)连接反馈耗散哈密顿速度控制器(2)。

【技术特征摘要】
1.一种径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统，径向X、Y方向的偏移和参考位移相比较得到位移偏差ex、ey，其特征是：位移偏差ex、ey与负载转矩τL、期望转速ω0共同输入至稳定平衡点计算模块(1)中，稳定平衡点计算模块(1)的输出依序串接反馈耗散哈密顿速度控制器(2)、2/3变换模块(41)、PWM逆变器(51)、电流跟踪型逆变器(52)和径向混合磁轴承，反馈耗散哈密顿速度控制器(2)输出的是反馈控制量ux、uy，PWM逆变器(51)的输出经3/2变换模块(42)连接反馈耗散哈密顿速度控制器(2)。2.根据权利要求1所述的径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统，其特征是：所述的稳定平衡点计算模块(1)输出的是期望电流值ix0、iy0分别是：分别为位移偏差ex、ey的自感；τL为负载转矩；ω0为期望转速；为径向混合磁轴承6中转子磁链值；np为极对数；B为粘滞摩擦系数。3.根据权利要求2所述的径向混合磁轴承的反馈耗散哈密顿自适应控制系统，其特征是：所述的反馈耗散哈密顿速度控制器(2)输出的是反馈控制量是：Rs为径向混合磁轴承的定子电阻；ω为转子机械角速度；为3/2变换模块(42)输出的电流值；r1、r2为阻尼参数，选取40～60；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维煜，张林东，束方宇，陈聪，杨恒坤，朱熀秋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32