一种电磁轴承-转子系统多目标优化控制方法技术方案

本申请涉及一种电磁轴承

【技术实现步骤摘要】
一种电磁轴承
‑
转子系统多目标优化控制方法


[0001]本申请涉及电磁轴承转子系统的悬浮控制
，具体涉及一种电磁轴承
‑
转子系统多目标优化控制方法。

技术介绍

[0002]主动电磁轴承（active magnetic bearing），简称AMB，具有无机械摩擦、无需润滑、使用寿命长等特点，还可以对转子系统的刚度和阻尼进行主动控制。因此，AMB可广泛应用于高速旋转机械。由于AMB固有的负刚度特性使其支承的转子系统是一个开环不稳定系统，必须通过反馈控制才可以实现转子系统的稳定运行。另外，控制器在满足使转子系统稳定这一基本要求的同时，还要尽可能地优化转子系统的动力学性能，因此控制器的设计是AMB转子系统的一个关键环节。
[0003]针对AMB
‑
转子系统的控制问题，国内外学者做了大量研究。模糊控制、神经网络控制、预测控制、多目标遗传控制、滑膜控制等控制算法在AMB
‑
转子系统中都有应用。上述先进控制算法虽然可以在AMB转子系统中应用，并能在一定程度上优化系统的性能，但由于控制器结构复杂，占用计算资源多，对控制器硬件要求较高，往往不易实现。PID控制器具有原理简单、鲁棒性强、可靠性高、适用性强以及技术成熟等优点，在电磁轴承
‑
转子控制系统中得到了广泛应用。Psonis等在《Design of a PID controller for a linearized magnetic bearing》中，在AMB线性化模型的基础上，研究了PID控制器参数对转子系统稳定性的影响。巩磊等在《主动电磁轴承
‑
刚性转子系统加速响应的鲁棒性》中以主动电磁轴承
‑
刚性转子系统为对象，分别研究了PID控制和鲁棒控制时转子系统的加速特性，并指出：在PID控制下，增大加速度可以降低转子系统穿过临界转速区的振动幅值。Duka等在《IMC based PID control of a magnetic levitation system》中，以及Zheng等在《The research on IMC
‑
PID control in maglev supporting system》中，将IMC
‑
PID控制器应用于磁悬浮系统中，在悬浮试验中得到了较好的效果。现有的基于PID控制的电磁轴承
‑
转子系统控制方法在稳定性、振动抑制、鲁棒性等单个性能方面，具有较好的控制效果，但很难同时兼顾多个控制性能，而多目标优化控制的数学模型涉及到多参数多非线性方程，求解比较困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提供一种电磁轴承
‑
转子系统多目标优化控制方法，能够同时兼顾多个性能目标，降低控制系统的振动，提高控制系统的鲁棒性，可推广到3个以上目标的优化控制，并且参数选择范围宽，无需复杂的数学运算。
[0005]本专利技术采取的技术方案是：一种电磁轴承
‑
转子系统多目标优化控制方法，包括如下步骤：S1：将电磁轴承
‑
转子系统简化为平面转子模型，所述平面转子模型包括电磁轴承A 中心平面处的平面转子A，即A盘，和电磁轴承B中心平面处的平面转子B，即B盘；分别推导
出A盘和B盘的等效刚度、等效阻尼、最大振幅及灵敏度函数的解析模型；S2：以平面转子模型的振动和鲁棒性为优化目标，以平面转子模型的稳定性、等效刚度、等效阻尼、最大振幅和灵敏度函数最大幅值为约束条件，分别建立平面转子A和平面转子B的最优化模型；S3：采用多维可视化算法求解平面转子A和平面转子B的最优化模型，得到平面转子A和平面转子B的多目标优化控制器的比例系数P、积分系数I和微分系数D三个控制参数的最优可行域。
[0006]进一步地，所述电磁轴承
‑
转子系统的最优化模型的决策变量为偏置电流I0、比例系数P和微分系数D；目标函数为min{ A
max
}和min{ M }，其中A
max
为最大振幅、M为灵敏度函数最大幅值；约束条件包括稳定性、等效阻尼和等效刚度分别取“自然”刚度和“自然”阻尼、最大振幅A
max
小于定转子气隙x0以及灵敏度函数最大幅值M小于3。
[0007]进一步地，所述步骤S3的具体步骤为：S301：根据工程经验以及平面转子控制系统的稳定性、等效刚度和等效阻尼的约束条件，初步选取偏置电流I0、比例系数P和微分系数D的范围；S302：以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为决策变量，构建最大振幅目标函数A
max
（I0，P，D），以平面转子控制系统的稳定性、等效阻尼和等效刚度以及最大振幅A
max
小于定转子气隙x0这三个约束条件为约束，以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为坐标轴，最大振幅A
max
为色标轴，进行四维可视化处理，得到最大振幅A
max
的四维可行域；S303：以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为决策变量，构建灵敏度函数最大幅值目标函数M（I0，P，D），以平面转子控制系统的稳定性、等效阻尼和等效刚度、最大振幅A
max
小于定转子气隙x0以及灵敏度函数最大幅值M小于3这四个约束条件为约束，以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为坐标轴，灵敏度函数最大幅值M为色标轴，进行四维可视化处理，得到灵敏度函数最大幅值M的四维可行域；S304：综合考虑振幅特性和鲁棒性，并构建评价函数F：其中，K1是最大振幅A
max
的权重系数，K2是灵敏度函数最大幅值M的权重系数，且K1+ K2=1；以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为决策变量，构建评价函数目标函数F（I0，P，D），以平面转子控制系统的稳定性、等效阻尼和等效刚度、最大振幅A
max
小于定转子气隙x0以及灵敏度函数最大幅值M小于3这四个约束条件为约束，以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为坐标轴，评价函数F为色标轴，进行四维可视化处理，得到评价函数F的四维可行域；S305：对得到的评价函数F的四维可行域进行降维处理，取I0=1A，得到三维可行域，所述三维可行域的可视化自变量分别为比例系数P和微分系数D，因变量为评价函数F，依据该三维可行域求解出比例系数P和微分系数D；最后依据求解出的比例系数P和微分系数D和稳定性条件确定积分系数I的大小，完成多目标优化模型的求解。
[0008]进一步地，所述平面转子模型中平面转子A和平面转子B的动力学模型形式相同，具体描述为：
其中，为平面转子A或平面转子B在x方向的瞬时加速度，x
b
为平面转子A或平面转子B在x方向的振动位移，n为平面转子A和平面转子B的转速，t为时间，为平面转子A或平面转子B在y方向的瞬时加速度，y
b
为平面转子A或平面转子B在y方向的振动位移，为不平衡质量点的初始夹角，m为平面转子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电磁轴承
‑
转子系统多目标优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将电磁轴承
‑
转子系统简化为平面转子模型，所述平面转子模型包括电磁轴承A 中心平面处的平面转子A，即A盘，和电磁轴承B中心平面处的平面转子B，即B盘；分别推导出A盘和B盘的等效刚度、等效阻尼、最大振幅及灵敏度函数的解析模型；S2：以平面转子模型的振动和鲁棒性为优化目标，以平面转子模型的稳定性、等效刚度、等效阻尼、最大振幅和灵敏度函数最大幅值为约束条件，分别建立平面转子A和平面转子B的最优化模型；S3：采用多维可视化算法求解平面转子A和平面转子B的最优化模型，得到平面转子A和平面转子B的多目标优化控制器的比例系数P、积分系数I和微分系数D三个控制参数的最优可行域。2.根据权利要求1所述的一种电磁轴承
‑
转子系统多目标优化控制方法，其特征在于，所述电磁轴承
‑
转子系统的最优化模型的决策变量为偏置电流I0、比例系数P和微分系数D；目标函数为min{ A
max
}和min{ M }，其中A
max
为最大振幅、M为灵敏度函数最大幅值；约束条件包括稳定性、等效阻尼和等效刚度分别取“自然”刚度和“自然”阻尼、最大振幅A
max
小于定转子气隙x0以及灵敏度函数最大幅值M小于3。3.根据权利要求1所述的一种电磁轴承
‑
转子系统多目标优化控制方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：S301：根据工程经验以及平面转子控制系统的稳定性、等效刚度和等效阻尼的约束条件，初步选取偏置电流I0、比例系数P和微分系数D的范围；S302：以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为决策变量，构建最大振幅目标函数A
max
（I0，P，D），以平面转子控制系统的稳定性、等效阻尼和等效刚度以及最大振幅A
max
小于定转子气隙x0这三个约束条件为约束，以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为坐标轴，最大振幅A
max
为色标轴，进行四维可视化处理，得到最大振幅A
max
的四维可行域；S303：以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为决策变量，构建灵敏度函数最大幅值目标函数M（I0，P，D），以平面转子控制系统的稳定性、等效阻尼和等效刚度、最大振幅A
max
小于定转子气隙x0以及灵敏度函数最大幅值M小于3这四个约束条件为约束，以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为坐标轴，灵敏度函数最大幅值M为色标轴，进行四维可视化处理，得到灵敏度函数最大幅值M的四维可行域；S304：综合考虑振幅特性和鲁棒性，并构建评价函数F：其中，K1是最大振幅A
max
的权重系数，K2是灵敏度函数最大幅值M的权重系数，且K1+ K2=1；以偏置电流I0、比例系数P和微分系数D为决策变量，构建评价函数目标函数F（I0，P，D），以平面...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄维健，陈亮亮，靳晓光，周浩，江弘钰，蔡智恒，杨翩翩，祝长生，伍家驹，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：