專利名稱：無軸承異步電機支持向量機逆解耦控制器的構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力傳動控制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，是一種無軸承異步電機解耦控制器的構(gòu)造方法，適用于無軸承異步電機的高性能控制。無軸承異步電機集成了磁軸承和異步電機的優(yōu)點，在壓縮機、離心機、機電貯能、渦輪分子泵、機床電主軸、航空航天等特殊電力傳動領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
無軸承異步電機不僅具有氣隙均勻，結(jié)構(gòu)簡單，堅固可靠，成本低等一系列優(yōu)點，而且具有寬弱磁范圍、齒槽脈動轉(zhuǎn)矩低等特點，是最具研究前途的無軸承電機之一。然而無軸承異步電機具有十分復雜的電磁關(guān)系，是一個多變量、強耦合的非線性系統(tǒng)，其徑向力、轉(zhuǎn)速、和磁鏈之間存在著復雜的耦合關(guān)系，要實現(xiàn)無軸承異步電機的穩(wěn)定懸浮運行，以及在不同工況下的無級調(diào)速，必須對無軸承異步電機進行非線性解耦控制。目前無軸承異步電機主要采用矢量控制，矢量控制是從電機電磁場理論出發(fā)，利用坐標變換，將無軸承異步電機模型等效為類似于直流電機的模型來進行控制。然而，矢量控制只能實現(xiàn)徑向力、轉(zhuǎn)速、和磁鏈之間的靜態(tài)解耦控制，其動態(tài)響應(yīng)性能還不能令人滿意。為提高無軸承異步電機控制的動態(tài)性能，逆系統(tǒng)控制方法也被用于無軸承異步電機的控制，但其線性化解耦的實現(xiàn)，要求獲得被控對象精確數(shù)學模型。而無軸承異步電機作為一個復雜的非線性系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子參數(shù)隨各種工況變化十分顯著，使逆系統(tǒng)方法難以在實際中真正得到應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆方法雖然解決了逆系統(tǒng)方法的不足，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方法存在局部極小問題，學習速度慢，訓練時間長、理想樣本提取困難、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易優(yōu)化等缺陷，使得基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆方法的無軸承異步電機解耦控制效果不佳。為了從本質(zhì)上改善無軸承異步電機對參數(shù)變化及擾動的魯棒性和適應(yīng)性，實現(xiàn)無軸承異步電機的徑向力、轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦控制，進而提高無軸承異步電機的懸浮運行性能，實現(xiàn)真正的高性能解耦運行，需采用新的控制技術(shù)和新的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既可實現(xiàn)負載條件下無軸承異步電機徑向力、轉(zhuǎn)速和磁鏈之間非線性解耦控制，又能有效地提高無軸承異步電機的各項控制性能指標，如動態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度及參數(shù)魯棒性的無軸承異步電機支持向量機逆控制器的構(gòu)造方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用如下步驟I)先將兩個Clark逆變換分別串接在相應(yīng)的兩個電流跟蹤型逆變器之前，再將兩個電流跟蹤型逆變器分別串接在無軸承異步電機及其負載模型之前，共同作為一個整體組成復合被控對象；2)用具有10個輸入節(jié)點、4個輸出節(jié)點的支持向量機加6個積分器構(gòu)成支持向量機逆,其中支持向量機的第一個輸入為支持向量機逆的第一個輸入，其經(jīng)第一個積分器的輸出為支持向量機的第二個輸入，再經(jīng)第二個積分器為支持向量機的第三個輸入，支持向量機的第四個輸入為支持向量機逆的第二個輸入，其經(jīng)第三個積分器的輸出為支持向量機的第五個輸入，再經(jīng)第四個積分器為支持向量機的第六個輸入，支持向量機的第七個輸入為支持向量機逆的第三個輸入，其經(jīng)第五個積分器的輸出為支持向量機的第八個輸入，支持向量機的第九個輸入為支持向量機逆的第四個輸入，其經(jīng)第六個積分器的輸出為支持向量機的第十個輸入，支持向量機的輸出是支持向量機逆的輸出；3)調(diào)整支持向量機的向量系數(shù)和閾值，將支持向量機逆置于復合被控對象之前組成偽線性系統(tǒng)，偽線性系統(tǒng)等效為兩個位移二階積分型偽線性子系統(tǒng)、一個速度一階積分型偽線性子系統(tǒng)以及一個磁鏈一階積分型偽線性子系統(tǒng)；4)采用PID調(diào)節(jié)器設(shè)計方法對四個所述積分型偽線性子系統(tǒng)分別設(shè)計相應(yīng)的兩個位移調(diào)節(jié)器、一個速度調(diào)節(jié)器和一個磁鏈調(diào)節(jié)器；并由四個所述調(diào)節(jié)器構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；5)將線性閉環(huán)控制器串接在支持向量機逆之前、支持向量機逆串接在復合被控對象之前，由線性閉環(huán)控制器、支持向量機逆、兩個Clark逆變換和兩個電流跟蹤型逆變器共同構(gòu)成無軸承異步電機支持向量機逆解耦控制器。本發(fā)明的有益效果
I.通過構(gòu)造支持向量機逆，將無軸承異步電機這一多變量、非線性、強耦合時變系統(tǒng)的
控制轉(zhuǎn)化為對兩個位移二階積分線性子系統(tǒng)、一個轉(zhuǎn)速一階積分線性子系統(tǒng)以及一個磁鏈一階積分線性子系統(tǒng)的控制，利用PID調(diào)節(jié)器方法設(shè)計線性閉環(huán)控制器，從而實現(xiàn)了對徑向力、轉(zhuǎn)速和磁鏈之間的動態(tài)解耦，因而可以實現(xiàn)獨立地對無軸承異步電機的位移系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速以及磁鏈的控制，獲得無軸承異步電機的高性能運行控制。2.用支持向量機加積分器來實現(xiàn)復合被控對象的逆系統(tǒng)，構(gòu)造支持向量機逆控制器來實現(xiàn)對無軸承異步電機的控制，完全擺脫了傳統(tǒng)的逆系統(tǒng)控制方法對數(shù)學模型的依賴性，彌補了基于逆系統(tǒng)控制方法中對無軸承異步電機的數(shù)學模型要求嚴格以及系統(tǒng)參數(shù)的不穩(wěn)定所帶來的系統(tǒng)控制存在誤差的不足，能更好地實現(xiàn)徑向力、轉(zhuǎn)速和磁鏈之間的動態(tài)解耦控制，有效減小電機參數(shù)變化與負載擾動對無軸承異步電機性能的影響，顯著地提高了無軸承異步電機的性能指標。3、本發(fā)明基于支持向量機逆構(gòu)造的無軸承異步電機支持向量機逆解耦控制器，實現(xiàn)無軸承異步電機徑向力、轉(zhuǎn)速和磁鏈的獨立控制，實現(xiàn)無軸承異步電機穩(wěn)定懸浮運行，提高無軸承異步電機控制性能，而且適用于其它類型的無軸承電機控制系統(tǒng)，以及適用于磁軸承支承的各種類型電機控制系統(tǒng)。這種基于支持向量機逆構(gòu)造的無軸承異步電機支持向量機逆控制器在其它類型的無軸承電機中也具有非常廣闊的應(yīng)用價值。


圖I是由兩個Clark逆變換11、12、兩個電流型跟蹤逆變器13、14和無軸承異步電機及其負載模型15組成的復合被控對象16 ；
圖2是支持向量機逆22的構(gòu)成 圖3是支持向量機逆22與復合被控對象16復合構(gòu)成的偽線性系統(tǒng)31的示意圖及其等效 圖4線性閉環(huán)控制器41與偽線性系統(tǒng)31的連接圖，其中偽線性系統(tǒng)31包括二個位移子系統(tǒng)、一個轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)以及一個磁鏈子系統(tǒng)；線性閉環(huán)控制器包括二個位移調(diào)節(jié)器42、43、一個速度控制器44以及一個磁鏈控制器45 ；
圖5是線性閉環(huán)控制器41和支持向量機逆22的連接圖；圖6是無軸承異步電機支持向量機逆解耦控制器51的總構(gòu)成框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施方案是首先基于無軸承異步電機樣機本體，然后由兩個Clark逆變換、兩個電流跟蹤型逆變器和無軸承異步電機負載作為一個整體組成復合被控對象，該復合被控對象等效為一個6階微分方程模型，系統(tǒng)向量的相對階為{2，2，I, 1}。采用10個輸入節(jié)點、4個輸出節(jié)點的支持向量機加6個積分器構(gòu)成具有10個輸入節(jié)點、4個輸出節(jié)點的復合被控對象的支持向量機逆。再將支持向量機逆串接在復合被控對象之前，支持向量機逆與復合被控對象合成為兩個位移二階積分子系統(tǒng)、一個轉(zhuǎn)速一階積分子系統(tǒng)和一個磁鏈一階積分子系統(tǒng)，從而將一個復雜的多變量、非線性、強耦合的控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為兩個二階積分子系統(tǒng)和兩個一階積分子系統(tǒng)的控制。對于已經(jīng)線性化解耦的兩個二階積分子系統(tǒng)和兩個一階積分子系統(tǒng)，采用PID調(diào)節(jié)器設(shè)計方法，分別設(shè)計兩個位移調(diào)節(jié)器、一個轉(zhuǎn)速控制器以及一個磁鏈調(diào)節(jié)器，由位移調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器共同組成線性閉環(huán)
控制器。最終構(gòu)成由線性閉環(huán)控制器、支持向量機逆、兩個Clark逆變換、兩個電流跟蹤逆變器組成的支持向量機逆控制器，對無軸承異步電機進行非線性動態(tài)解耦控制。具體的實施分以下7步
I.先將兩個Clark逆變換11、12分別串接在相應(yīng)的兩個電流跟蹤型逆變器13、14之前，S卩，Clark逆變換11串接在電流跟蹤型逆變器13之前，Clark逆變換12串接在電流跟蹤型逆變器14之前，再將兩個電流跟蹤型逆變器13、14分別串接在無軸承異步電機及其負載模型15之前，共同作為一個整體組成復合被控對象16，如圖I所示。該復合被控對象以
{f2a> hfiy Ha> 四個電流信號作為輸入，以位移，轉(zhuǎn)速，以及磁鏈科作為輸出。2.通過分析、等效與推導，為支持向量機逆的構(gòu)造與學習訓練提供方法上的根據(jù)。首先建立復合被控對象的數(shù)學模型，基于無軸承異步電機工作原理，建立無軸承異步電機數(shù)學模型，經(jīng)過Clark變換和線性放大，得到復合被控對象的數(shù)學模型，即一個6階微分方程，其向量相對階為{2，2，I, I}。經(jīng)推導可以證明該6階微分方程可逆，即逆系統(tǒng)存在，并可確定其逆系統(tǒng)的四個輸入為兩個位移的二階導數(shù)、一個轉(zhuǎn)速的一階導數(shù)以及一個磁鏈的一階導數(shù)，四個輸出分別為復合被控系統(tǒng)的四個輸入。從而可以構(gòu)造出支持向量機逆，如圖2所示。為學習訓練提供了方法上的根據(jù)。3.采用支持向量機21加6個積分器構(gòu)造支持向量機逆22。其中支持向量機21的輸入節(jié)點數(shù)為10，輸出層節(jié)點數(shù)為4，支持向量機21的向量系數(shù)和閾值將在下一步的離線學習中確定。接著采用具有10個輸入節(jié)點、4個輸出節(jié)點的支持向量機加6個積分器構(gòu)成支持向量機逆22,其中支持向量機21的第一個輸入為支持向量機逆22的第一個輸入，其經(jīng)第一個積分器的輸出為支持向量機21的第二個輸入，再經(jīng)第二個積分器為支持向量機21的第三個輸入；支持向量機21的第四個輸入為支持向量機逆22的第二個輸入，其經(jīng)第三個積分器的輸出為支持向量機21的第五個輸入，再經(jīng)第四個積分器為支持向量機21的第六個輸入；支持向量機21的第七個輸入為支持向量機逆22的第三個輸入,其經(jīng)第五個積分器的輸出為支持向量機21的第八個輸入；支持向量機21的第九個輸入為支持向量機逆22的第四個輸入，其經(jīng)第六個積分器的輸出為支持向量機21的第十個輸入。支持向量機21與六個積分器一道組成支持向量機逆22，支持向量機21的輸出就是支持向量機逆的輸出。4.按如下方法調(diào)整并確定支持向量機21的向量系數(shù)和閾值1)將階躍激勵信號hfiy ilay /lj加到復合被控對象的輸入端，采集無軸承異步電機的位移I、7 ;
轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及磁鏈y+。2)將位移1、_7離線分別求其一階和二階導數(shù)，轉(zhuǎn)速 ν,
求其一階導數(shù)，磁鏈ψτ求其一階導數(shù)，并對信號做規(guī)范化處理，組成支持向量機的訓練樣
本集{ i·，夭，X，夕，j，/， ，《V，電，與，k，&，i V I ° 3)選取高
斯核函數(shù)為支持向量機的核函數(shù)，并且支持向量機的正則化參數(shù)設(shè)足力％0，核寬度設(shè)定為1.4，從而離線調(diào)整支持向量機21的向量系數(shù)和閾值。5.形成兩個位移子系統(tǒng)、一個轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和一個磁鏈子系統(tǒng)。由支持向量機21與6個積分器構(gòu)成支持向量機逆22，將支持向量機逆22置于復合被控對象16之前，與復合被控對象16串連組成偽線性系統(tǒng)31，該偽線性系統(tǒng)31等效為兩個位移二階積分型偽線性子系統(tǒng)、一個轉(zhuǎn)速一階積分型偽線性子系統(tǒng)以及一個磁鏈一階積分型偽線性子系統(tǒng)。從而實現(xiàn)徑向力、轉(zhuǎn)速和磁鏈之間的非線性動態(tài)解耦，把復雜非線性系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)化為簡單的四個單變量線性系統(tǒng)的控制，如圖3所示。6.如圖5、圖6所示，設(shè)計線性閉環(huán)控制器。對兩個位移二階積分型偽線性子系統(tǒng)、一個轉(zhuǎn)速一階積分型偽線性子系統(tǒng)以及一個磁鏈一階積分型偽線性子系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)器設(shè)計方法分別設(shè)計調(diào)節(jié)器，分別設(shè)計相應(yīng)的兩個位移調(diào)節(jié)器42、43、一個速度調(diào)節(jié)器44和一個磁鏈調(diào)節(jié)器45，由四個所述調(diào)節(jié)器構(gòu)成線性閉環(huán)控制器41，如圖4所示。在本發(fā)明實施過程中，根據(jù)無軸承異步電機參數(shù)來選擇和調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，兩個位移調(diào)節(jié)器42、43均選用了 H)調(diào)節(jié)器，一個速度調(diào)節(jié)器44和和一個磁鏈調(diào)節(jié)器45均選用了 PI調(diào)節(jié)器。如整定后兩個位移調(diào)節(jié)器42、43傳遞函數(shù)為0(3) = 1200 + 45.7 , 一個速度調(diào)節(jié)器44和和一
個磁鏈調(diào)節(jié)器45傳遞函數(shù)分別為GsOSO = 100 + ^和GO ) = 120 + ^,如圖5、圖6所示。7.圖6，構(gòu)成支持向量機逆控制器。將線性閉環(huán)控制器41串接在支持向量機逆22之前，將支持向量機逆22串接在復合被控對象16之前，由線性閉環(huán)控制器41、支持向量機逆22、兩個Clark逆變換11、12和兩個電流跟蹤型逆變器13、14共同構(gòu)成無軸承異步電機支持向量機逆解耦控制器51，將支持向量機逆22與串接在復合被控對象16的兩個Clark逆變換11、12之前。根據(jù)以上所述，便可實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種無軸承異步電機支持向量機逆解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征在于采用如下步驟 1)先將兩個Clark逆變換(11、12)分別串接在相應(yīng)的兩個電流跟蹤型逆變器(13、14)之前，再將兩個電流跟蹤型逆變器(13、14)分別串接在無軸承異步電機及其負載模型(15)之前，共同作為一個整體組成復合被控對象(16)； 2)用具有10個輸入節(jié)點、4個輸出節(jié)點的支持向量機(21)加6個積分器構(gòu)成支持向量機逆(22)，其中支持向量機(21)的第一個輸入為支持向量機逆(22)的第一個輸入，其經(jīng)第一個積分器的輸出為支持向量機(21)的第二個輸入，再經(jīng)第二個積分器為支持向量機(21)的第三個輸入，支持向量機(21)的第四個輸入為支持向量機逆(22)的第二個輸入，其經(jīng)第三個積分器的輸出為支持向量機(21)的第五個輸入，再經(jīng)第四個積分器為支持向量機(21)的第六個輸入，支持向量機(21)的第七個輸入為支持向量機逆(22)的第三個輸入，其經(jīng)第五個積分器的輸出為支持向量機(21)的第八個輸入，支持向量機(21)的第九個輸入為支持向量機逆(22)的第四個輸入，其經(jīng)第六個積分器的輸出為支持向量機(21)的第十個輸入，支持向量機(21)的輸出是支持向量機逆(22)的輸出； 3)調(diào)整支持向量機(21)的向量系數(shù)和閾值，將支持向量機逆(22)置于復合被控對象(16)之前組成偽線性系統(tǒng)(31)，偽線性系統(tǒng)(31)等效為兩個位移二階積分型偽線性子系統(tǒng)、一個速度一階積分型偽線性子系統(tǒng)以及一個磁鏈一階積分型偽線性子系統(tǒng)； 4)采用PID調(diào)節(jié)器設(shè)計方法對四個所述積分型偽線性子系統(tǒng)分別設(shè)計相應(yīng)的兩個位移調(diào)節(jié)器(42、43)、一個速度調(diào)節(jié)器(44)和一個磁鏈調(diào)節(jié)器(45);并由四個所述調(diào)節(jié)器構(gòu)成線性閉環(huán)控制器(41); 5)將線性閉環(huán)控制器(41)串接在支持向量機逆(22)之前、支持向量機逆(22)串接在復合被控對象(16)之前，由線性閉環(huán)控制器(41)、支持向量機逆(22)、兩個Clark逆變換(11、12)和兩個電流跟蹤型逆變器(13、14)共同構(gòu)成無軸承異步電機支持向量機逆解耦控制器(51)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無軸承異步電機支持向量機逆解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征在于步驟3 )中，支持向量機(21)的向量系數(shù)和閾值的確定方法為將階躍激勵信號 Ha, 7加到復合被控對象(16)的輸入端；采集無軸承異步電機的徑向位移z、_F，轉(zhuǎn)速iWr以及磁鏈ψΓ，將位移_7離線分別求其二階導數(shù)，轉(zhuǎn)速求其一階導數(shù)，磁鏈ψν求其一階導數(shù)，并對信號做規(guī)范化處理，組成支持向量機(21)的訓練樣本集{ X , X , y , y , y , , , Wr , , Hct , hfi，I，iI/ }，并選取高斯核函數(shù)作為支持向量機(21)的核函數(shù)，設(shè)定正則化參數(shù)為560，核寬度為I. 4，對支持向量機(21)進行訓練，從而 確定支持向量機(21)的向量系數(shù)和閾值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無軸承異步電機支持向量機逆解耦控制器的構(gòu)造方法，用具有10個輸入節(jié)點、4個輸出節(jié)點的支持向量機加6個積分器s-1構(gòu)成支持向量機逆，將支持向量機逆置于復合被控對象之前組成偽線性系統(tǒng)，對積分型偽線性子系統(tǒng)分別設(shè)計相應(yīng)的兩個位移調(diào)節(jié)器、一個速度調(diào)節(jié)器和一個磁鏈調(diào)節(jié)器；由四個調(diào)節(jié)器構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；由線性閉環(huán)控制器、支持向量機逆、兩個Clark逆變換和兩個電流跟蹤型逆變器共同構(gòu)成解耦控制器；本發(fā)明將多變量、非線性、強耦合時變系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)化為對兩個位移二階積分線性子系統(tǒng)、一個轉(zhuǎn)速一階積分線性子系統(tǒng)以及一個磁鏈一階積分線性子系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)對徑向力、轉(zhuǎn)速和磁鏈之間的動態(tài)解耦。
文檔編號H02P21/00GK102790580SQ20121027585
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者孫曉東, 李可, 楊澤斌, 楊輝, 汪明濤 申請人:江蘇大學