一種極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器的構(gòu)造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器的構(gòu)造方法，其采用電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器與單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)組成復(fù)合被控對(duì)象，根據(jù)復(fù)合被控對(duì)象對(duì)應(yīng)的2階逆系統(tǒng)，用極限學(xué)習(xí)機(jī)的學(xué)習(xí)算法構(gòu)成極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)，將極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)連接在復(fù)合被控對(duì)象前，復(fù)合成偽線性系統(tǒng)，再依據(jù)線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)該偽線性系統(tǒng)做出徑向位置控制器和角速度控制器，將徑向位置控制器以及角速度控制器分別與極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)串接再與電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器組成極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器，對(duì)單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)徑向位置、轉(zhuǎn)子角速度進(jìn)行解耦控制，使其具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)控制性能，抗參數(shù)變化及抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】—種極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器的構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于磁阻電機(jī)領(lǐng)域，用于強(qiáng)耦合情況下的電機(jī)解耦控制。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)將磁懸浮技術(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合，在繼承一般磁懸浮電機(jī)無摩擦、無磨損、軸向空間利用率高、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速大等優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了開關(guān)磁阻電機(jī)的高速優(yōu)越性以及對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，同時(shí)通過徑向力的主動(dòng)控制，有效改善了開關(guān)磁阻電機(jī)因不平衡磁拉力造成的振動(dòng)和噪聲問題。目前大多數(shù)情況采用的是雙繞組結(jié)構(gòu)的磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，其將用于產(chǎn)生徑向力的繞組和轉(zhuǎn)矩繞組一起疊繞在同一定子極上，使徑向力繞組不占用獨(dú)立的軸向空間。然而，雙繞組結(jié)構(gòu)中主繞組與懸浮繞組的強(qiáng)耦合性，使得電機(jī)在數(shù)學(xué)建模、控制算法方面更為復(fù)雜；額外的懸浮繞組加大了電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度；懸浮繞組的增加導(dǎo)致額外的功率放大器與相配套的電氣子系統(tǒng)，增加了控制電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度。針對(duì)雙繞組結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的上述缺點(diǎn)，美國(guó)國(guó)家航空航天局、德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)以及韓國(guó)慶星大學(xué)相繼開展了單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)。
[0003]單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)以集懸浮電流分量、轉(zhuǎn)矩電流分量于一體的單一繞組的結(jié)構(gòu)形式，避免了雙繞組電機(jī)結(jié)構(gòu)中的主繞組與懸浮繞組之間的耦合，但相互垂直的兩方向徑向力之間的耦合、懸浮力與轉(zhuǎn)矩之間耦合仍然存在，使得單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的兩徑向位置、角速度三者之間的解耦控制勢(shì)在必行。已經(jīng)提出的逆系統(tǒng)建模方法有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模過程需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)；在無智能算法對(duì)支持向量機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的情況下，支持向量機(jī)訓(xùn)練的得到的模型精度一般；針對(duì)以上問題，本逆解耦控制方法中引入了極限學(xué)習(xí)機(jī)，極限學(xué)習(xí)機(jī)適用于小樣本數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)訓(xùn)練速度“極端”快速，所建立的模型具有很高的預(yù)測(cè)精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器的構(gòu)造方法，該極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器可對(duì)單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子位置下的兩自由度懸浮力、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)解耦控制，使單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)具有優(yōu)秀的動(dòng)靜態(tài)性能，電機(jī)抗參數(shù)變化及抗負(fù)載擾動(dòng)能力得到提高。
[0005]單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器，包括第一徑向位置控制器、第二徑向位置控制器、角速度控制器、極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)和電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器。第一徑向位置控制器的輸入是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子徑向位置X與給定轉(zhuǎn)子水平方向的平衡徑向位置Xtl的偏差量，輸出是期望的徑向位置二階導(dǎo)數(shù)h第二徑向位置控制器的輸入是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子徑向位置y與給定轉(zhuǎn)子豎直方向的平衡徑向位置％的偏差量，輸出是期望的徑向位置二階導(dǎo)數(shù)j_’ ；角速度控制器的輸入是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)時(shí)的角速度ω與期望的轉(zhuǎn)子角速度Oci的偏差量，輸出是期望的轉(zhuǎn)子角位置二階導(dǎo)數(shù)萬(即是角速度一階導(dǎo)數(shù)?);期望的徑向位置二階導(dǎo)數(shù)夕、角位置二階導(dǎo)數(shù)石輸入極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)，輸出單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組電流命令值i/、iB*> ic* ；電流命令值i/、iB*> ic*輸入電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器，對(duì)應(yīng)輸出實(shí)際加載到單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的電流激勵(lì)iA、iB、ic;單繞組磁懸浮磁阻電機(jī)在電流激勵(lì)下，實(shí)時(shí)輸出轉(zhuǎn)子徑向位置x、y、轉(zhuǎn)子角位置Θ，轉(zhuǎn)子角位置Θ經(jīng)過微分環(huán)節(jié)d/dt得到角速度ω，轉(zhuǎn)子徑向位置x、y、轉(zhuǎn)子角速度ω反饋并分別與給定的轉(zhuǎn)子平衡位置Xtl、^|以及期望的角速度比較得到偏差量輸入至第一徑向位置控制器、第二徑向位置控制器和角速度控制器，至此形成完整的包含極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器在內(nèi)的徑向位置、角速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0006]極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)的建立中，數(shù)據(jù)來自于對(duì)復(fù)合被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)復(fù)合被控對(duì)象加載不同的電流激勵(lì)(i/，iB*, ^，得到相應(yīng)的輸出^^’^漢^^其中，x、y、θ分別為兩徑向位置、轉(zhuǎn)子角位置，1、i分別X的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)，j、分別為y的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)Θ 0分別為θ的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)。對(duì)復(fù)合被控對(duì)象不斷試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)集，利用極限學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，得到以(無兌糾為輸入、(i；, i/，ic*)為輸出的極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0008]1.采用極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)，將復(fù)雜的非線性耦合系統(tǒng)問題轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的三個(gè)偽線性系統(tǒng)(第一徑向位置子系統(tǒng)、第二徑向位置子系統(tǒng)、角速度子系統(tǒng))的控制問題，進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器，可獲得高性能的解耦控制以及抗負(fù)載擾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)性能。
[0009]2.用極限學(xué)習(xí)機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)合被控對(duì)象的逆系統(tǒng)，構(gòu)造極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)兩徑向位置、角速度的控制，完全擺脫了傳統(tǒng)控制方法對(duì)于數(shù)學(xué)模型的依賴性，有效的減小了參數(shù)變化與負(fù)載 擾動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。
[0010]3.極限學(xué)習(xí)機(jī)算法無需迭代，具有“極端”快速的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)時(shí)間顯著優(yōu)于Back-Propagation算法和支持向量機(jī),可很大程度上提高工程效率，同時(shí)，極限學(xué)習(xí)機(jī)具有很高的計(jì)算精度。因此，本發(fā)明優(yōu)于已經(jīng)提出的傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦、支持向量機(jī)逆解耦方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是采用極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器對(duì)單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)兩徑向位置、轉(zhuǎn)子角速度進(jìn)行控制的完整原理框圖，其中，轉(zhuǎn)子角位置Θ經(jīng)過微分環(huán)節(jié)d/dt得到角速度
ω ；
[0012]圖2是電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器驅(qū)動(dòng)控制的單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的原理圖；
[0013]圖3是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)的功能框圖，其中徑向位置二階導(dǎo)數(shù)?通過積分環(huán)節(jié)S—1得到徑向位置一階導(dǎo)數(shù)i，X經(jīng)過積分環(huán)節(jié)S-1得到徑向位置X，y s旮同理；
[0014]圖4是極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)與復(fù)合被控對(duì)象復(fù)合構(gòu)成的偽線性系統(tǒng)的示意圖及其等效圖，偽線性系統(tǒng)可分為第一徑向位置子系統(tǒng)、第二徑向位置子系統(tǒng)、角速度子系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的被控對(duì)象分別為徑向位置X、徑向位置y、轉(zhuǎn)子角位置Θ ；
[0015]圖5是由徑向位置控制器、角速度控制器與偽線性系統(tǒng)組成的三閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖中:1、電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器，2、單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，3、復(fù)合控制器，4、極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)，41、極限學(xué)習(xí)機(jī)，5、偽線性系統(tǒng)，6、第一徑向位置控制器，7、第二徑向位置控制器，8、角速度控制器，9、極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明方法具體包括如下步驟:
[0018]1.形成復(fù)合被控對(duì)象，電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器I與單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)2串聯(lián)組成復(fù)合被控對(duì)象3，該復(fù)合被控對(duì)象以三相電流輸入命令值(i/，iB*, ic*)為其輸入，兩徑向位置、轉(zhuǎn)子角位置(x，y，Θ)為輸出；
[0019]2.構(gòu)造極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)，通過對(duì)復(fù)合被控對(duì)象3加載不同的電流激勵(lì)(i/，iBW)，得到相應(yīng)的輸出(x，y，Θ)，不斷進(jìn)行試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)集；適當(dāng)選擇極限學(xué)習(xí)機(jī)中隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，隱含層激活函數(shù)一般選擇“Sigmoid”，對(duì)得到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，得到以(無戈糾為輸入、(i/，iBW)為輸出的單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)4 ;
[0020]3.構(gòu)造偽線性系統(tǒng)5，將極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)4與復(fù)合被控對(duì)象3串聯(lián)，形成偽線性系統(tǒng)5 ；
[0021]4.構(gòu)造第一徑向位置控制器6、第二徑向位置控制器7與角速度控制器8，第一徑向位置控制器6的輸入是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)2實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子徑向位置X與給定轉(zhuǎn)子水平方向的平衡徑向位置Xo的偏差量，輸出是期望的徑向位置二階導(dǎo)數(shù)L第二徑向位置控制器7的輸入是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)2實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子徑向位置I與給定轉(zhuǎn)子豎直方向的平衡徑向位置％的偏差量，輸出是期望的徑向位置二階導(dǎo)數(shù);角速度控制器8的輸入是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)2實(shí)時(shí)的角速度ω與期望的轉(zhuǎn)子角速度Oci的偏差量，輸出是期望的轉(zhuǎn)子角位置二階導(dǎo)數(shù)#(即是角速度一階導(dǎo)數(shù)?);控制器均使用模糊PID控制方法構(gòu)造。
[0022]5.將第一徑向位置控制器6、第二徑向位置控制器7與角速度控制器8分別與極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)4相連，第一徑向位置控制器6、第二徑向位置控制器7與角速度控制器8輸出的期望的徑向位置二階導(dǎo)數(shù)1、與期望的轉(zhuǎn)子角位置二階導(dǎo)數(shù)盧輸入至極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)4 ；
[0023]6.復(fù)合被控對(duì)象3輸出實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子徑向位置x、y與實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子角位置Θ，轉(zhuǎn)子角位置Θ經(jīng)過微分環(huán)節(jié)d/dt得到角速度ω，轉(zhuǎn)子徑向位置x、y、轉(zhuǎn)子角速度ω反饋并分別與給定的轉(zhuǎn)子平衡位置X(l、y。以及期望的角速度Qtl比較得到偏差量，將得到的偏差量分別輸入至第一徑向位置控制器6、第二徑向位置控制器7和角速度控制器8，至此形成完整的包含極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器在內(nèi)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，第一徑向位置控制器6、第二徑向位置控制器7、角速度控制器8、極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)4和電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器I則構(gòu)成極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器9。
【權(quán)利要求】
1.一種極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征在于包括如下步驟: 1)電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器(I)與單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(2)串聯(lián)組成復(fù)合被控對(duì)象(3)，該復(fù)合被控對(duì)象(3)以三相電流輸入命令值(i/，iB*, ic*)為其輸入，兩徑向位置、轉(zhuǎn)子角位置(x，y，Θ)為其輸出； 2)通過對(duì)復(fù)合被控對(duì)象(3)加載不同的電流激勵(lì)(i/，i；,，得到相應(yīng)的輸出(X，y，Θ )，不斷進(jìn)行試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)集；適當(dāng)選擇極限學(xué)習(xí)機(jī)中隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，隱含層激活函數(shù)一般選擇“Sigmoid”，對(duì)得到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，得到以.V..V..A為輸入、(i；, C ic*)為輸出的單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(2)的極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)(4)； 3)將極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)(4)與復(fù)合被控對(duì)象(3)串聯(lián)，構(gòu)成偽線性系統(tǒng)(5)； 4)構(gòu)造第一徑向位置控制器(6)、第二徑向位置控制器(7)與角速度控制器(8):第一徑向位置控制器(6)的輸入是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(2)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)子徑向位置X與給定轉(zhuǎn)子水平方向的平衡徑向位置Xtl的偏差量，輸出是期望的徑向位置二階導(dǎo)數(shù).^第二徑向位置控制器(7)的輸入是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(2)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)子徑向位置I與給定轉(zhuǎn)子豎直方向的平衡徑向位置Ytl的偏差量，輸出是期望的徑向位置二階導(dǎo)數(shù)I，角速度控制器(8)的輸入是單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)(2)的實(shí)時(shí)角速度ω與期望的轉(zhuǎn)子角速度的偏差量，輸出是期望的轉(zhuǎn)子角位置二階導(dǎo)數(shù) 5)將第一徑向位置控制器(6)、第二徑向位置控制器(7)與角速度控制器(8)分別與極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)(4)相連，第一徑向位置控制器(6)、第二徑向位置控制器(7)與角速度控制器(8)輸出的期望 的徑向位置二階導(dǎo)數(shù)t卩與期望的轉(zhuǎn)子角位置二階導(dǎo)數(shù)g輸入至極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)(4)； 6)復(fù)合被控對(duì)象(3)輸出實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子徑向位置x、y與實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子角位置Θ，轉(zhuǎn)子角位置Θ經(jīng)過微分環(huán)節(jié)d/dt得到角速度ω，轉(zhuǎn)子徑向位置x、y、轉(zhuǎn)子角速度ω反饋并分別與給定的轉(zhuǎn)子平衡位置X(l、y。以及期望的角速度Qtl比較得到偏差量，將得到的偏差量分別輸入至第一徑向位置控制器(6)、第二徑向位置控制器(7)和角速度控制器(8)，至此形成完整的包含極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器在內(nèi)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，第一徑向位置控制器(6)、第二徑向位置控制器(7)、角速度控制器(8)、極限學(xué)習(xí)機(jī)逆系統(tǒng)(4)和電流滯環(huán)PWM電壓源逆變器(I)則構(gòu)成極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器(9)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的極限學(xué)習(xí)機(jī)逆解耦控制器的構(gòu)造方法，其特征在于:所述步驟4)中第一徑向位置控制器(6)、第二徑向位置控制器(7)和角速度控制器(8)均使用模糊PID控制方法構(gòu)造。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK103888037SQ201410064333
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】孫玉坤, 胡文宏, 朱志瑩, 張新華 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)