五自由度交流主动磁轴承自抗扰解耦控制器及构造方法技术

本发明专利技术公开一种五自由度交流主动磁轴承自抗扰解耦控制器及构造方法，由串接在复合被控对象前的内部结构相同的五个自适应自抗扰控制器组成，分别控制单自由度被控对象，每个自适应自抗扰控制器都由跟踪微分器、非线性状态误差反馈控制律、自适应扩张状态观测器、BP神经网络、第一补偿因子和第二补偿因子组成，通过构造系统的自适应扩张状态观测器，能够自动补偿被控对象内部、外部扰动，并采用状态误差反馈控制律实现系统优良的控制性能，利用神经网络逼近非线性函数的性质对关键参数进行整定，实现了自抗扰解耦控制器关键参数的在线自整定，提高了自抗扰解耦控制器的控制性能。

ADRC Decoupling Controller and Construction Method for 5-DOF AC Active Magnetic Bearing

【技术实现步骤摘要】
五自由度交流主动磁轴承自抗扰解耦控制器及构造方法
本专利技术属于高速及超高速电气传动领域，是一种五自由度交流主动磁轴承的控制器，为高速转轴的高效、精密支承提供条件，适用于高速机床、飞轮储能、航天航空和核能等。
技术介绍
磁轴承通过电磁力将转子悬浮于空中，使定子和转子之间不存在任何机械接触，因此具有无摩擦、无磨损、无需润滑、寿命长、高精度及高速度等突出优点，特别是在高速机床主轴系统中，主轴的支撑方式很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围，将磁轴承应用于高速机床主轴的支撑中，为高速机床主轴技术水平的提高创造了有利条件。五自由度交流主动磁轴系统是一个强耦合、非线性的多输入多输出系统，要实现磁轴承的高速高精度稳定运行，需要对系统进行线性化解耦控制。通常的线性化解耦控制方法有：近似线性化法、微分几何法、解析逆系统法等。其中近似线性化法只能对系统进行静态解耦，临界转速、系统参数改变及干扰等因素会降低其控制性能。微分几何法采用比较抽象的数学工具，计算复杂，不利于推广应用。解析逆系统方法要求具体的系统参数和被控对象的数学模型已知，但在实际工程应用中往往极难求出逆模型的解析解，且难以确切描述系统的非线性特性。目前，自抗扰控制器具有不依赖被控对象精确数学模型的优点被广泛应用在复杂的控制系统中，例如中国专利申请号为201310491326.4，名称为“一种飞轮储能用轴向磁轴承自抗扰控制器的构造方法”的文献中提出采用自抗扰控制器对轴向磁轴承进行控制，但其仅用自抗扰控制器对轴向磁轴承进行控制，自抗扰控制器并不具有对磁轴承的解耦性能，并且仅对自抗扰控制器的一项参数进行自整定。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有五自由度交流主动磁轴承系统解耦控制技术的不足，提供一种五自由度交流主动磁轴承自适应自抗扰解耦控制器及其构造方法，既可实现五自由度交流主动磁轴承系统径向及轴向五个自由度位移变量之间的解耦控制，又可使系统获得良好的动、静态性能，有效提高整个系统的控制性能。本专利技术采用五自由度交流主动磁轴承自抗扰解耦控制器采用的技术方案是：由串接在复合被控对象前的内部结构相同的五个自适应自抗扰控制器组成，分别控制单自由度被控对象，其中的第一自适应自抗扰控制器的输入为径向位移xa和径向位移的期望值xa*、输出为控制电流期望值iax*，第二自适应自抗扰控制器的输入为径向位移ya和径向位移的期望值ya*、输出为控制电流期望值iay*，第三自适应自抗扰控制器的输入为径向位移xb和径向位移的期望值xb*、输出为控制电流期望值ibx*，第四自适应自抗扰控制器的输入为径向位移yb和径向位移的期望值yb*、输出为电流期望值iby*，第五自适应自抗扰控制器的输入为轴向位移z和轴向位移的期望值z*、输出为控制电流期望值iz*；每个自适应自抗扰控制器都由跟踪微分器、非线性状态误差反馈控制律、自适应扩张状态观测器、BP神经网络、第一补偿因子和第二补偿因子组成，五个跟踪微分器的输入分别是径向位移的期望值xa*、ya*、xb*、yb*和轴向位移的期望值z*，其中的第一个跟踪微分器的输出是对应的跟踪信号x1和微分信号x2，第一个自适应扩张状态观测器的输入为复合被控对象的输出位移xa、三个参数β01、β02和β03、控制量u、输出为x1、x2的估计值z1、z2和总扰动的估计值z3，第一个非线性状态误差反馈控制律的输入为误差e1＝x1-z1和e2＝x2-z2、输出为控制量u0，第一个BP神经网络的输入为误差e1、e2、位移xa和偏置值1、输出为三个参数β01、β02和β03，第一个第一补偿因子的输入为误差u0-z3、输出为至单自由度被控对象的电流ia*，第一个第二补偿因子的输入是电流ia*，输出是至自适应扩张状态观测器的控制量u。所述的五自由度交流主动磁轴承自抗扰解耦控制器的构造方法采用的技术方案是包括如下步骤：步骤A：采用下式构造第一个跟踪微分器，得到跟踪信号x1和微分信号x2：为最速综合函数，h0为积分步长；r0为速度因子；h为采样周期；xa*(k)为径向位移xa*在k时刻的值；x1(k)为x1在k时刻的值；x1(k+1)为x1在k+1时刻的值；x2(k)为x2在k时刻的值；x2(k+1)为x2在k+1时刻的值。步骤B：采用下式构造第一个自适应扩张状态观测器，得到其输出z1、z2和z3：u(k)为扰动补偿形成控制量u(k)＝(u0(k)-z3(k))/b0，u0(k)为控制量u0在k时刻的值；fal为非线性函数，其表达式：z1(k)、z2(k)、z3(k)分别为z1、z2、z3在k时刻的值，z1(k+1)、z2(k+1)、z3(k+1)分别为z1、z2、z3在k+1时刻的值，xa(k)为xa在k时刻的值，e为误差，h为采样周期，b0为第一补偿因子的估计值，b为第二补偿因子的值，b＝1/b0；α1取0.5，α2取0.25，δ1＞0，为采样周期的5～10倍。步骤C：采用式u0＝β1fal(e1,α3,δ2)+β2fal(e2,α4,δ2)构造第一个非线性状态误差反馈控制律，得到控制量u0；fal为非线性函数，误差e1＝x1-z1，e2＝x2-z2，α3取0.5，α4取0.25，δ2＞0，取采样周期的5～10倍；步骤D：采用第一个BP神经网整定三个参数β01、β02和β03。本专利技术的优点在于：1、本专利技术中的自适应自抗扰解耦控制器串联于复合被控对象前，从而把具有强耦合、非线性特性的五自由度交流主动磁轴承系统解耦为无耦合线性系统，通过构造系统的自适应扩张状态观测器，能够自动补偿被控对象内部、外部扰动，并采用状态误差反馈控制律实现系统优良的控制性能。2、由于标准自抗扰控制器所需整定的参数较多，有些参数之间还存在相互影响，因此参数整定十分困难。而且五自由度交流主动磁轴承受到的扰动往往是不固定的，因此一套固定的参数难以满足系统的控制要求，本专利技术提出的自抗扰解耦控制器，利用神经网络逼近非线性函数的性质对关键参数进行整定，实现了自抗扰解耦控制器关键参数的在线自整定，提高了自抗扰解耦控制器的控制性能。附图说明图1是五自由度交流主动磁轴承结构示意图；图2是复合被控对象4的结构示意图；图3是本专利技术所述的五自由度交流主动磁轴承自适应自抗扰解耦控制器的总体框图；图4是图1中其中一个自适应自抗扰控制器的结构图；图中：a、b.径向主动磁轴承；c.轴向主动磁轴承；d.高速电机；f1、f2.径向位移传感器；f3.轴向位移传感器；g1、g2.辅助轴承；h1、h2.端盖；i.套筒；m.转轴；1.五自由度交流主动磁轴承；2.功率驱动器；3.坐标变换；4.复合被控对象；5.自抗扰控制器；21、22.电流跟踪逆变器；23.开关功率放大器；31、32.Clark逆变换；51、52、53、54、55.自适应自抗扰控制器；511.跟踪微分器；512.非线性误差状态反馈控制律；513.自适应扩张状态观测器；514.BP神经网络；515.第一补偿因子；516.第二补偿因子；517.单自由度被控对象。具体实施方式如图1，五自由度交流主动磁轴承1由两个径向主动磁轴承a、b、一个轴向主动磁轴承c和高速电机d构成；两个径向主动磁轴承a、b、一个轴向主动磁轴承c和高速电机d均同轴心地装在套筒i中，均共用同一个转轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五自由度交流主动磁轴承自抗扰解耦控制器，其特征是：由串接在复合被控对象(4)前的内部结构相同的五个自适应自抗扰控制器组成，分别控制单自由度被控对象，其中的第一自适应自抗扰控制器(51)的输入为径向位移xa和径向位移的期望值xa

【技术特征摘要】
1.一种五自由度交流主动磁轴承自抗扰解耦控制器，其特征是：由串接在复合被控对象(4)前的内部结构相同的五个自适应自抗扰控制器组成，分别控制单自由度被控对象，其中的第一自适应自抗扰控制器(51)的输入为径向位移xa和径向位移的期望值xa*、输出为控制电流期望值iax*，第二自适应自抗扰控制器(52)的输入为径向位移ya和径向位移的期望值ya*、输出为控制电流期望值iay*，第三自适应自抗扰控制器(53)的输入为径向位移xb和径向位移的期望值xb*、输出为控制电流期望值ibx*，第四自适应自抗扰控制器(54)的输入为径向位移yb和径向位移的期望值yb*、输出为电流期望值iby*，第五自适应自抗扰控制器(55)的输入为轴向位移z和轴向位移的期望值z*、输出为控制电流期望值iz*；每个自适应自抗扰控制器都由跟踪微分器、非线性状态误差反馈控制律、自适应扩张状态观测器、BP神经网络、第一补偿因子和第二补偿因子组成，五个跟踪微分器的输入分别是径向位移的期望值xa*、ya*、xb*、yb*和轴向位移的期望值z*，其中的第一个跟踪微分器(511)的输出是对应的跟踪信号x1和微分信号x2，第一个自适应扩张状态观测器(512)的输入为复合被控对象的输出位移xa、三个参数β01、β02和β03、控制量u、输出为x1、x2的估计值z1、z2和总扰动的估计值z3，第一个非线性状态误差反馈控制律(513)的输入为误差e1＝x1-z1和e2＝x2-z2、输出为控制量u0，第一个BP神经网络(514)的输入为误差e1、e2、位移xa和偏置值1、输出为三个参数β01、β02和β03，第一个第一补偿因子(515)的输入为误差u0-z3、输出为至单自由度被控对象的电流ia*，第一个第二补偿因子(516)的输入是电流ia*，输出是至自适应扩张状态观测器(512)的控制量u。2.根据权利要求1所述的五自由度交流主动磁轴承自抗扰解耦控制器，其特征是：复合被控对象(4)由坐标变换模块(3)、功率驱动器(2)和五自由度交流主动磁轴承(1)依次串接组成，功率驱动器(2)由两个电流跟踪逆变器(21、22)与一个开关功率放大器(23)构成，坐标变换模块(3)由两个Clark逆变换模块(31、32)构成，第一Clark逆变换模块(31)串接于第一电流跟踪逆变器(21)前，第二Clark逆变换模块(32)串接于第二电流跟踪逆变器(22)前。3.一种如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱熀秋，王绍帅，郝亮，徐奔，还浚萁，杨洋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32