本发明专利技术公开一种五自由度交流磁轴承支持向量机解耦控制器的构造方法，将电流跟踪逆变器，双极性开关功率放大器各自串接于五自由度交流磁轴承之前组成复合被控对象；先用5个支持向量机2阶系统和10个积分器s-1构造支持向量机α阶逆系统，再离线训练支持向量机α阶逆系统实现复合被控对象的逆系统，最后将支持向量机α阶逆系统串接于复合被控对象之前组成伪线性系统，分别针对5个位置二阶积分型的伪线性子系统设计相应的4个径向位置控制器和1个轴向位置控制器构成线性闭环控制器；将线性闭环控制器串接于支持向量机α阶逆系统前且与复合被控对象共同构成；使系统获得更好的控制和抗负载扰动能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一种，属于高速 及超高速电气传动领域，为实现五自由度交流磁轴承的高效控制提供了条件，适用于高性 能的机床主轴、发电机和离心泵等。
技术介绍
磁轴承(Active Magnetic Bearings)具有无摩擦磨损、无需润滑、转速高、精度 高、寿命长等许多突出优点，它是利用磁场力将转子无接触地悬浮在空中，并且悬浮位置可 以由控制系统控制的一种新型轴承，从根本上改变了传统的支承形式。特别是交流式磁轴 承能够采用交流三相功率逆变器给控制线圈提供控制电流，简化了系统控制策略，并从整 体上减小了磁轴承控制系统的体积和成本。五自由度交流磁轴承系统是一个非线性、强耦合的多输入多输出系统，要获得优 良的动态悬浮特性及控制性能，必须对各个自由度的位移变量进行解耦控制。常用的解耦 控制方法有近似线性化解耦方法、微分几何反馈线性化解耦方法、解析逆系统方法、神经网 络逆等，其中，近似线性化解耦方法只能实现系统静态解耦，不能实现系统动态解耦；而磁 轴承转子参数随工况的变化十分显著，再加上转子偏心时悬浮力的变化、负载扰动的存在， 使微分几何控制方法和解析逆系统方法很难在实际中真正应用；神经网络逆解耦控制能够 在解析逆难以求得的情况下实现系统的动态解耦，获得优良的静、动态特性，但神经网络在 理论和设计方法上还存在学习速度慢、训练时间长、理想的样本提取困难、网络结构不易优 化等难以克服的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术中五自由度交流磁轴承常用的几种解耦控 制方法的不足而提供一种，所构造 的解耦控制器既可实现五自由度交流磁轴承系统径向及轴向5个自由度位移变量之间的 独立解耦控制，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。实现本专利技术目的采用的技术方案是在五自由度交流磁轴承的主轴上安装2个径 向主动磁轴承a和b、1个轴向主动磁轴承力，包括如下步骤1)将第一、第二Clark逆变换和 第一、第二电流跟踪型逆变器依次连接组成第一、第二扩展的电流跟踪型逆变器，将第一、 第二扩展的电流跟踪逆变器，双极性开关功率放大器各自串接于五自由度交流磁轴承之前 组成复合被控对象；2)先用5个支持向量机2阶系统和10个积分器构造支持向量机α 阶逆系统，再离线训练支持向量机α阶逆系统实现复合被控对象的逆系统，最后将支持向 量机α阶逆系统串接于复合被控对象之前组成伪线性系统，伪线性系统等效为5个位置二 阶积分型的伪线性子系统；3)分别针对5个位置二阶积分型的伪线性子系统设计相应的4 个径向位置控制器和1个轴向位置控制器，由这5个所述位置控制器构成线性闭环控制器； 4)将线性闭环控制器串接于支持向量机α阶逆系统之前，且与复合被控对象共同构成五自由度交流磁轴承支持向量机解耦控制器。支持向量机α阶逆系统的训练方法为在实际工作区域内，将径向主动磁轴承a的控制电流分量参考值 和￠,、径向主动磁轴承b的控制电流分量参考值ib:和ib;以及轴向主动磁轴承C控制电流参考值 的5个随机方波信号作为阶跃激励信号分别施加于复合被控对象的输入端，并对该输入信号 a=T = T 及输出 口向应 ^Ι/ρ/ρ/ρΛ'λΓ = [V/tA-V/if 进行采样，得到原始数据样本；采用高阶数值微分方法离线计算的各阶导数(Λ，Λ , Λ , Λ , Λ ,艿， ，Λ，大，Λ ；得到300组支持向量机α阶逆系统的训练样本集(Λ， ，Λ，3 ，Λ，Λ，Js，y-s，Λ，Λ，Λ，>4，Λ，Λ，Λ ,Ih, u2, Ih, Ih, 4 ；根据该训练样本集，采用最小二乘法分别对复合被控对象5的以径向主动磁轴承a两个径向位移xa,ya，径向主动磁轴承b两个径向位移Xb、yb和轴向 主动磁轴承力轴向位移ζ这5个输出量所对应的每个支持向量机2阶系统进行离线学习，获得相应的输入向量系数< 和阈值 其中上标J是复合被控对象5第J个输出对应的变 量，下标i是第i对训练样本；进而分别根据各个支持向量机2阶系统的当前输入辨识300出α阶逆模型的输出为(忒·^/)+ ，式中竹“ 为高斯核函数。本专利技术的优点在于1、采用支持向量机逼近复合被控对象的a阶逆模型，将五自由度交流磁轴承系统这一 非线性、强耦合的多输入多输出系统线性化和解耦成为5个相互独立的单输入单输出线性 积分子系统，实现各个被控量之间的动态解耦控制，从而将复杂的非线性耦合控制问题变 为简单的线性控制问题，使控制系统设计得以简化并容易达到系统所要求的性能指标。针 对线性化解耦后得到的5个转子位置二阶积分线性子系统，可方便的采用极点配置、线性 最优控制、PID控制、鲁棒控制等方法设计线性闭环控制器，使系统获得更好的控制性能以 及抗负载扰动能力。2、有效克服了采用近似线性化解耦方法只能实现系统静态解耦，不能实现系统动 态解耦的缺陷。不需要引入微分几何等抽象的数学理论，不需要知道被控系统的精确数学 模型，与微分几何控制方法和解析逆系统方法相比，采用支持向量机解耦控制器的构造方 法得到的五自由度交流磁轴承控制系统结构简单，更利于工程实践。支持向量机方法在经 验风险最小化的基础上同时采用了结构风险最小化准则，较好的解决了神经网络等传统的 机器学习方法中的过学习、维数灾难以及过早收敛等问题，推广性能较好。3、本专利技术将被控对象转换为伪线性系统，在此基础上采用线性系统理论对伪线性 子系统设计线性闭环控制器用于构造五自由度交流磁轴承支持向量机解耦控制器，对交流 磁轴承的运行进行有效的解耦控制，可获得良好的控制性能以及抗负载扰动能力，具有很 高的应用价值。附图说明图1是五自由度交流磁轴承结构示意图； 图2是复合被控对象结构示意图3是支持向量机α阶逆系统结构示意图； 图4是伪线性系统示意图及其等效图； 图5是五自由度交流磁轴承支持向量机解耦控制原理框图； 图6是五自由度交流磁轴承支持向量机解耦控制器总体框图； 图中1.五自由度交流磁轴承；2.第一扩展的电流跟踪逆变器；3.第二扩展的电流跟 踪逆变器；4.双极性开关功率放大器；5.复合被控对象；6.支持向量机α阶逆系统；7.线 性闭环控制器；8.五自由度交流磁轴承支持向量机解耦控制器；21.第一 Clark逆变换； 22.第一电流跟踪逆变器；31.第二 Clark逆变换；32.第二电流跟踪逆变器；61、62、63、64、 65.支持向量机2阶系统；71、72、73、74.四个径向位置控制器；75.轴向位置控制器。具体实施例方式如图1所示，本专利技术的五自由度交流磁轴承1的结构包括在主轴e上设有两个径 向主动磁轴承a和b、一个轴向主动磁轴承c和高速电机d，其中的一个径向主动磁轴承a 控制径向x3，_F3两个自由度，对应的磁轴承三相驱动控制电流i3 ，和i3(r，另一径向主动 磁轴承b控制径向^，^两个自由度，对应的磁轴承三相驱动控制电流ibu，ibv和ibw,轴向 主动磁轴承c控制径向ζ单个自由度，对应的驱动控制电流iz，这种五自由度交流磁轴承 是一非线性、强耦合的多输入多输出系统，本专利技术针对这种系统采用支持向量机逼近复合 被控对象的a阶逆模型，将原多输入多输出系统转换成相互独立的线性积分子系统，进而 采用线性系统的各种理论设计闭环控制器，不仅实现了五自由度交流磁轴承径向本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种五自由度交流磁轴承支持向量机解耦控制器的构造方法，在五自由度交流磁轴承（１）的主轴上安装２个径向主动磁轴承ａ和ｂ、１个轴向主动磁轴承ｂ，其特征是依次包括如下步骤：１）将第一、第二Ｃｌａｒｋ逆变换（２１、３１）和第一、第二电流跟踪型逆变器（２２、３２）依次连接组成第一、第二扩展的电流跟踪型逆变器（２、３），将第一、第二扩展的电流跟踪逆变器（２、３），双极性开关功率放大器（４）各自串接于五自由度交流磁轴承（１）之前组成复合被控对象（５）；２）先用５个支持向量机２阶系统（６１、６２、６３、６４、６５）和１０个积分器ｓ－１构造支持向量机α阶逆系统（６），再离线训练支持向量机α阶逆系统（６）实现复合被控对象（５）的逆系统，最后将支持向量机α阶逆系统（６）串接于复合被控对象（５）之前组成伪线性系统９），伪线性系统（９）等效为５个位置二阶积分型的伪线性子系统；３）分别针对５个位置二阶积分型的伪线性子系统设计相应的４个径向位置控制器（７１、７２、７３、７４）和１个轴向位置控制器（７５），由这５个所述位置控制器（７１、７２、７３、７４、７５）构成线性闭环控制器（７）；４）将线性闭环控制器（７）串接于支持向量机α阶逆系统（６）之前，且与复合被控对象（５）共同构成五自由度交流磁轴承支持向量机解耦控制器（８）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱熀秋，阮颖，张婷婷，张维煜，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32
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