本发明专利技术涉及一种干扰矢量自适应辨识的转子多频振动主动控制算法，属于转子多频振动主动控制技术领域。本发明专利技术步骤如下：目标函数定义是通过离散傅里叶变换处理主动转子系统中的控制信号，进而定义辨识算法的目标函数；基于目标函数值的干扰矢量自适应辨识算法用于实现多频干扰矢量的辨识，通过步长矢量的逐步调整来实现，步长矢量的幅值和相位依据目标函数值的变化实时调整；抵消信号生成，是指依照辨识得到的干扰矢量，生成抵消信号，并与原有控制信号叠加，进而消除多频干扰对转子振动的影响。本发明专利技术用于带有主动控制单元的转子系统，实现对主动转子系统的多频振动主动控制，以对转子系统在整个转速运行范围内的多频干扰引起的转子振动进行抑制。
Active control algorithm of rotor multi frequency vibration based on adaptive identification of disturbance vector
【技术实现步骤摘要】
干扰矢量自适应辨识的转子多频振动主动控制算法
本专利技术涉及一种干扰矢量自适应辨识的转子多频振动主动控制算法，属于转子多频振动主动控制
技术介绍
在转子系统中，转子材料特性的不均匀、机械加工误差和变形等都会造成转子质心和几何中心的偏差，即所谓“转子不平衡”。在转子旋转时，转子不平衡会同步引起不平衡力并导致转子与转速同频的振动。除了同频振动以外，传感器的检测误差以及转子系统运行中的其他干扰还会引起转子的多频振动，降低转子系统的性能。为了实现转子系统中振动的主动控制，可以引入反馈控制回路，构成主动转子系统。主动转子系统通常包括转子系统、传感器、执行器和控制器四部分，其中最典型的主动转子系统即电磁轴承-转子系统。以不平衡力引起的同频振动为例，电磁轴承-转子系统使用不平衡补偿和自动平衡策略来减弱不平衡振动的影响。在不平衡补偿策略中，电磁轴承产生电磁力来抵消不平衡力，使得转子可以绕其几何中心轴旋转；而在自动平衡策略中，不平衡力利用“自对中”原理消除，可近似认为转子绕其虚拟“惯性轴”旋转。其他频率振动的控制机理与上述两种策略类似。在涉及到具体的振动主动控制算法上，研究人员提出了诸如陷波滤波器和LMS自适应滤波器等方法，来减小不平衡力和传感器输出误差等干扰对系统的影响。其中陷波滤波器因其原理简单和设计灵活等特性得到了广泛应用，但会对系统的稳定性产生影响。LMS(LeastMeanSquare)，即最小二乘算法，是一种基于信号处理的算法，但LMS算法的步长系数在变转速条件下的调整较为困难，容易出现算法不收敛的情况。因此，现有技术缺少一种既能够实现变转速运行条件下多频振动的主动控制，同时不会对原系统的稳定性产生影响的更为有效的转子多频振动主动控制算法。
技术实现思路
针对现有转子系统在多频转子振动主动控制方面的不足，包括影响系统稳定性和变转速条件下控制效果变差的问题，本专利技术提出了一种干扰矢量自适应辨识的转子多频振动主动控制算法，通过实时计算目标函数值，动态调整步长矢量的幅值和相位，实现对系统反馈回路中多频干扰的辨识和补偿，避免转子系统响应多频干扰，以实现在变转速运行条件下稳定的多频转子振动主动控制。本专利技术所述的干扰矢量自适应辨识的转子多频振动主动控制算法，包括如下步骤：步骤一：目标函数值的计算：通过离散傅里叶变换(DFT)处理主动转子系统中的控制信号u(k)，获得目标函数值Aom(k)，包括如下小步：第一步：多频干扰辨识模块从执行器前接收执行器的输入信号uc(t)，以及速度传感器获得的转子转速信号nr(t)，生成补偿信号ud(t)与控制器输出的控制信号u(t)叠加后有：uc(t)＝u(t)-ud(t)(1)第二步：ud(t)的辨识等效转化为对复平面内干扰矢量的辨识，设对应转子转速对应的角频率ω＝πnr/30，对应角频率为mω(m＝1,2…)的干扰矢量真实值dlm表示为：式中：Alm和θlm分别是dlm的幅值和相位，αlm和βlm分别是dlm的实部和虚部；不妨假设已经通过干扰矢量辨识算法得到dlm的辨识结果dm，则这一干扰矢量辨识算法的收敛条件应为：式中：ξm(m＝1,2…)为误差矢量，αm和βm分别是dm的实部和虚部，|ξm|为误差矢量的幅值；式(3)等价于：Aom＝|ξm|→0(4)式中：Aom(m＝1,2…)为u(t)中干扰矢量的幅值；第三步：在实际算法中，式(4)所示的收敛条件修正为：Aom＝|ξm|+Acm→Acm(5)式中：Acm(m＝1,2…)的值由u(t)中维持系统稳定的必要控制量决定，而Acm即为干扰矢量辨识算法收敛时Aom可以获得的最小值；定义Aom(k)作为干扰矢量辨识算法的目标函数，通过DFT离散傅里叶变换获得：式中：am和bm为角频率为mω(m＝1,2,3…)的DFT系数，k为表示第k个采样周期，转子旋转Nr圈过程中u(t)的采样数据用于计算一次DFT系数，Ts为采样周期；步骤二：干扰矢量的自适应辨识：基于目标函数值的变化自适应调整步长矢量的幅值和相位，辨识引起转子多频振动的干扰矢量的算法，包括如下小步：第一步：基于式(6)所示的目标函数，则干扰矢量辨识算法的更新方程为：式中：Δdm为步长矢量，Rs∈(0,1)为步长矢量的幅值调整系数，θs为步长矢量的相位，k和k+1表示第k和第k+1个采样周期；结合式(3)和式(7)，可得式(7)所示更新方程对应的误差矢量ξm变化方程为：ξm(k+1)＝dlm(k+1)-dm(k+1)＝dlm(k+1)-dm(k)-Δdm(k+1)(8)由于主动转子系统机械时间常数的限制通常远大于采样周期Ts，式(8)可近似表示为：第二步：假设在第k个采样周期时干扰矢量辨识算法仍未收敛，且在第k个采样周期内干扰矢量的辨识结果为dm(k)，对应的误差矢量为ξm(k)＝dlm(k)-dm(k)>0；而在第k+1个采样周期内，通过DFT计算得到的目标函数值为Aom(k+1)，对应的步长矢量dm(k+1)的幅值和相位分别为Aom(k+1)Rs和θs(k+1)；步长矢量相位的调整策略如式(10)所示，其中当前步长矢量的相位是否需要调整与目标函数值有关：式中：Δθ为步长矢量相位的常数增量，且Δθ∈(0,π)∪(π,2π)；式(7)至(10)给出了该干扰矢量辨识算法的基本方程；其中At为自行设定的阈值，只要目标函数值Am高于阈值At，干扰矢量就将持续更新；步骤三：补偿信号的生成：是指对应中干扰矢量辨识结果生成补偿信号，以抵消控制信号中的干扰量，包括如下小步：基于上述干扰矢量辨识算法和辨识结果，最终得到的补偿信号d(t)为：优选地，所述步骤一中，主动转子系统包括控制器、执行器、转子系统和位移传感器，位移传感器检测转子系统的转子位移，转子位移检测值x(t)与位移给定值x0比较后的差值发送给控制器，控制器发送控制信号u(t)给执行器，执行器产生控制力作用于转子系统，实现转子系统的稳定运行。优选地，所述步骤一第一步中，由式(1)可知，若能从u(t)中辨识出uc(t)并补偿uc(t)对系统的影响，则可在不改变原系统稳定性的前提下消除多频干扰对系统输出的影响，实现转子多频振动主动控制。优选地，所述步骤一第二步中，由式(4)和式(5)可知，目标函数值Ao是干扰矢量自适应辨识算法(3)的目标函数值，用于指示辨识算法的收敛情况。优选地，所述步骤二第二步中，Δθ不选π的原因是Δθ＝π会使得步长矢量固定在某直线上，而不是在复平面内进行调整，使得辨识算法难以收敛。优选地，所述步骤二第二步中，干扰矢量自适应辨识通过干扰矢量自适应辨识算法实现，其中干扰矢量dm＝αm+jβm的辨识通过步长矢量Δdm的逐步调整来实现；步长矢量的幅值Aom(k)Rs和相位θs(k)依据目标函数值的变化实时调整本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种干扰矢量自适应辨识的转子多频振动主动控制算法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一：目标函数值的计算：通过离散傅里叶变换(DFT)处理主动转子系统中的控制信号u(k)，获得目标函数值A
【技术特征摘要】
1.一种干扰矢量自适应辨识的转子多频振动主动控制算法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：目标函数值的计算：通过离散傅里叶变换(DFT)处理主动转子系统中的控制信号u(k)，获得目标函数值Aom(k)，包括如下小步：
第一步：多频干扰辨识模块从执行器前接收执行器的输入信号uc(t)，以及速度传感器获得的转子转速信号nr(t)，生成补偿信号ud(t)与控制器输出的控制信号u(t)叠加后有：
uc(t)＝u(t)-ud(t)(1)
第二步：ud(t)的辨识等效转化为对复平面内干扰矢量的辨识，设对应转子转速对应的角频率ω＝πnr/30，对应角频率为mω(m＝1,2…)的干扰矢量真实值dlm表示为：
式中：Alm和θlm分别是dlm的幅值和相位，αlm和βlm分别是dlm的实部和虚部；
不妨假设已经通过干扰矢量辨识算法得到dlm的辨识结果dm，则这一干扰矢量辨识算法的收敛条件应为：
式中：ξm(m＝1,2…)为误差矢量，αm和βm分别是dm的实部和虚部，|ξm|为误差矢量的幅值；
式(3)等价于：
Aom＝|ξm|→0(4)
式中：Aom(m＝1,2…)为u(t)中干扰矢量的幅值；
第三步：在实际算法中，式(4)所示的收敛条件修正为：
Aom＝|ξm|+Acm→Acm(5)
式中：Acm(m＝1,2…)的值由u(t)中维持系统稳定的必要控制量决定，而Acm即为干扰矢量辨识算法收敛时Aom可以获得的最小值；
定义Aom(k)作为干扰矢量辨识算法的目标函数，通过DFT离散傅里叶变换获得：
式中：am和bm为角频率为mω(m＝1,2,3…)的DFT系数，k为表示第k个采样周期，转子旋转Nr圈过程中u(t)的采样数据用于计算一次DFT系数，Ts为采样周期；
步骤二：干扰矢量的自适应辨识：基于目标函数值的变化自适应调整步长矢量的幅值和相位，辨识引起转子多频振动的干扰矢量的算法，包括如下小步：
第一步：基于式(6)所示的目标函数，则干扰矢量辨识算法的更新方程为：
式中：Δdm为步长矢量，Rs∈(0,1)为步长矢量的幅值调整系数，θs为步长矢量的相位，k和k+1表示第k和第k+1个采样周期；
结合式(3)和式(7)，可得式(7)所示更新方程对应的误差矢量ξm变化方程为：
ξm(k+1)＝dlm(k+1)-dm(k+1)
＝dlm(k+1)-dm(k)-Δdm(k+1)(8)
由于主动转子系统机械时间常数的限制通常远大于采样周期Ts，式(8)可近似表示为：
第二步：假设在第k个采样周期时干扰矢量辨识算法仍未收敛，且在第k个采样周期内干扰矢量的辨识结果为dm(k)，对应的...
【专利技术属性】
技术研发人员：于洁，吴新振，由蕤，王保俊，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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