【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁悬浮轴承控制领域，更具体的，涉及一种用于磁悬浮轴承系统的比例-微分(pd)参数自整定方法及系统。
技术介绍
1、磁悬浮轴承是指利用电磁力使转子悬浮，从而实现转子与定子的无接触运行。磁悬浮轴承具有无摩擦、无污染、寿命长等特点，适合应用于高速、超高速以及需要无接触、无润滑、无污染的高性能传动场合。
2、通常磁悬浮轴承都使用比例-积分-微分(pid)控制器进行其位移控制，但由于磁悬浮轴承物理特性，其自身开环不稳定；加工难度高，非线性强，实际参数与设计参数有较大差异；自由度多，通常有4个以上；使得磁悬浮轴承无法使用经典控制理论中的频域方法进行参数设计，pid控制器的参数选定难度大，需要有丰富经验的工程师花费大量时间进行调整，限制了磁悬浮轴承的使用场景和使用门槛。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提出了一种用于磁悬浮轴承系统的比例-微分(pd)参数自整定方法，旨在加快实际使用比例-积分-微分(pid)位移控制的磁悬浮轴承系统的现场参数调整过程，降低磁悬浮轴承系统的使用门槛，解决磁悬浮轴承开环不稳定条件下的位置闭环控制参数设计问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定方法，确定了pid位移控制的磁悬浮轴承系统悬浮性能评价指标、优化目标与优化对象；根据所述的优化目标和优化对象，建立了经验补偿器与启发式算法并行执行的参数自整定算法；给出了自整定开始时参数的起点确定方法；同时，给出了自整定过程中
3、本专利技术提供的用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定方法，所述磁悬浮轴承系统使用pid位移控制，包括：
4、(1)确定磁悬浮轴承系统各个自由度的p参数与d参数的初始值，以位移单位时间归一化面积最小，单位时间碰撞次数为0为优化目标；
5、(2)根据所述优化目标，建立了经验补偿器与启发式算法并行执行的参数自整定算法，对磁悬浮轴承系统的p、d参数进行自整定；其中，经验补偿器与启发式算法均以优化目标为输入，p参数与d参数的修正量为输出。
6、(3)pd自整定算法持续运行，直到磁悬浮轴承系统能够使转子稳定悬浮。
7、在整定过程中，如果某一组参数使得磁悬浮轴承系统单位时间碰撞次数超过上限阈值，则立即切换到下一组参数，避免磁悬浮轴承系统故障。因为优化对象均基于单位时间，保护流程无需中断自整定过程。
8、其中，pid控制的磁悬浮轴承系统悬浮性能评价指标包括位移单位时间归一化面积与单位时间碰撞次数。单位时间归一化面积s*指的是：
9、
10、其中，-xp～+xp为磁悬浮轴承该自由度的位移范围，ns为自整定过程中单组参数采样点数，x(n)为每一时刻第n个采样点该自由度转子偏移中心参考点的距离。单位时间碰撞总次数则指的是：
11、单位时间碰撞次数＝总碰撞次数/单组参数采样时间
12、其中，单组参数采样时间指的是pid控制器使用当前参数时，记录位移的时间。总碰撞次数的统计方法为，假设该自由度的位移范围为-xp～+xp，该自由度转子偏移中心参考点的距离大于axp或小于-axp，a是一个大于0小于1的数，则总碰撞次数增加一次。
13、基于上述的评价指标，该自整定方法的优化目标为使单位时间归一化面积应尽可能小，单位时间碰撞次数应当为0。而优化对象是使用pid位移控制的磁悬浮轴承系统各个自由度的p参数与d参数的数值，i参数由于不直接影响磁悬浮轴承性能因此不作为优化对象。
14、本专利技术提出的一种用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定方法具体结构为经验补偿器与启发式算法并行的pd参数自整定方法，其中经验补偿器的规则为：单位时间碰撞次数为0时，不影响p、d参数；单位时间碰撞次数为1时，减小d参数；单位时间碰撞次数较小但不为0或1时，增大p参数；单位时间碰撞次数较大时，减小p参数；其余情况下同时增大p、d参数。
15、其中启发式算法的步骤为：在同一轮迭代中，将全部参数组的p、d参数应用于磁悬浮轴承系统，并统计每一组其运行过程中、采样时间内的单位时间归一化面积，每个自由度应有多个p、d参数组合；根据单位时间归一化面积，全部参数组向单位时间归一化面积最小的一组参数移动，同时，全部参数组背离单位时间归一化面积最大的一组参数移动；除去单位时间归一化面积最小的一组参数，其余全部参数组在其一较小的领域内随机变动；按上述规则输出p、d参数的修正量。
16、经验补偿器与启发式算法输出的参数在启发式算法输出的参数在开始进行新一轮迭代前组合，达成两者并行执行的目的。
17、启发式算法对每一自由度都需要有一组初始值参数，初始值参数的确定方法如下。
18、给单一自由度的绕组中注入两个不同差分控制电流，使其分别能够从一段运行至另一端，记录过程中的位移，两组数据可以用来解如下的二元一次方程：
19、
20、其中，x1与x2为两次得到的位移，ts为采样时间，n为采样点数，m为转子的重量；ki为未知数1，被称为力/电流系数；kx为未知数2，被称为力/位移系数。
21、从而，可以得到该自由度的起点参数为kp0与kd0，计算方法为：
22、
23、基于参数初始值kp0与kd0，在其一较小的领域内随机选取参数，即可得到该自由度自整定开始时的参数组。
24、在自整定过程中实时监测转子的碰撞次数，当检测到某组参数不稳定转子发生高频碰撞时，立即切换至下一组参数；由于自整定所使用的评价指标均为单位时间内的指标，因此不影响自整定过程中数据的获取。同时，由于各个自由度的整定相互独立，因此本专利技术提出的方法可以对任意自由度的磁悬浮轴承系统使用。
25、本专利技术还提供了一种用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
26、所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
27、所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定方法。
28、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
29、(1)本专利技术所提出的方法能够实现使用pid位移控制的磁悬浮轴承系统的p、d参数自整定，并给出了自整定起点参数的确定方法，并且可以用于参数未知的磁悬浮轴承系统，降低了磁悬浮轴承的使用门槛。
30、(2)本专利技术所提出的方法中还包含了自整定过程中失稳的应对方法，并且不会影响自整定过程的正常进行，适合实际工程中应用。
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1.一种用于磁悬浮轴承系统的PD参数自整定方法，所述磁悬浮轴承系统使用PID位移控制，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮轴承系统的PD参数自整定方法，如果某一组参数使得磁悬浮轴承系统单位时间碰撞次数超过上限阈值，则立即切换到下一组参数，避免磁悬浮轴承系统故障。
3.根据权利要求2所述的一种用于磁悬浮轴承系统的PD参数自整定方法，其特征在于，所述位移单位时间归一化面积为：
4.根据权利要求2所述的一种用于磁悬浮轴承系统的PD参数自整定方法，其特征在于，所述单位时间碰撞次数指的是：
5.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮轴承系统的PD参数自整定方法，所述经验补偿器指的是：
6.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮轴承系统的PD参数自整定方法，所述启发式算法指的是：
7.根据权利要求6所述的一种用于磁悬浮轴承系统的PD参数自整定方法，在新一轮迭代开始前，相加所述经验补偿器与启发式算法输出的P、D参数修正量，更新参数，并应用于PID控制器，直到磁悬浮轴承能够稳定运行。
8.根据权利要
9.一种用于磁悬浮轴承系统的PD参数自整定系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
...【技术特征摘要】
1.一种用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定方法，所述磁悬浮轴承系统使用pid位移控制，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定方法，如果某一组参数使得磁悬浮轴承系统单位时间碰撞次数超过上限阈值，则立即切换到下一组参数，避免磁悬浮轴承系统故障。
3.根据权利要求2所述的一种用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定方法，其特征在于，所述位移单位时间归一化面积为：
4.根据权利要求2所述的一种用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定方法，其特征在于，所述单位时间碰撞次数指的是：
5.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮轴承系统的pd参数自整定方法，所述经验补偿器指的是：
6.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：周鸣曲，蒋栋，丁建夫，刘自程，李闻一，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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