专利名称：恒流源偏置外转子轴向磁轴承的控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明属于控制技术领域，具体涉及一种非机械接触磁悬浮轴承(磁轴承)的控制系统及其控制方法设计。
背景技术：
磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，使其与定子没有机械接触的一种新型支承轴承，具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封，高速度、高精度及寿命长等优点。磁轴承系统主要由磁轴承机械结构和控制系统两部分组成，其中机械结构影响整个磁轴承系统的工作性能，其相应的控制系统及其控制方法决定了磁轴承系统的动态性能以及刚度、阻尼和稳定性，因此磁轴承机械结构和控制系统制约着一个完整的磁轴承系统能否可以实现最佳的工作运行情况。恒流源偏置外转子轴向磁轴承机械结构可参见专利申请号为201210247525. 6、名称为“一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承”中的磁轴承，该磁轴承以降低磁轴承的成本、减少磁轴承的功耗为目标，但该磁轴承仅涉及机械结构，未涉及其相应的控制系统及其控制方法。由于磁轴承产生的悬浮力具有严重的非线性特点，对其悬浮力的稳定控制是需要解决的关键问题，为此解决悬浮力的非线性控制问题尤为重要。控制器是控制系统中的核心部件，直接影响整个控制系统性能的优劣，且整个控制系统的控制方法也集中体现于控制器的核心算法。目前，多采用PID控制器对磁轴承进行控制，但PID控制器过分依赖控制对象的模型参数，鲁棒性较差，针对恒流源偏置外转子轴向磁轴承这类复杂且极需精密的控制系统，单纯采用PID控制器很难满足系统精密控制的要求。源于PID控制器，但区别于传统PID控制器的分数阶PID控制器(PIaD"控制器)是常规的整数阶PID控制器的推广和发展，用分数阶数学模型描述的动态系统要比整数阶模型所描述的更加精确 。由于分数阶PID控制器引入了微分阶次系数』和积分阶次系数U，多了两个可调参数，所以控制器参数的整定范围变大。近年来，模糊控制方法的研究和应用越来越多，利用模糊逻辑开发的模糊控制器本身就具有智能推理功能和非线性特性，尤其是基于模糊整定规则在线调整下的PID控制器，能很好克服磁轴承系统中模型参数变化及非线性等不确定因素带来不利影响，可获得更优的控制效果。但是由于基于模糊整定规则在线调整下的PID控制器中多了两个可调参数，因此会导致规则数目的增加，进而加大了控制系统的复杂性，控制系统的精度与实时性受到影响。
发明内容
本发明的目的是为克服现有常用的几种磁轴承控制系统及非线性控制方法的不足而提供一种针对恒流源偏置外转子轴向磁轴承的变论域模糊分数阶PID控制系统，具有更好的鲁棒性、抗干扰性、适应性和更好的控制精度。本发明同时还提供该控制系统的控制方法，能获得满意的控制精度，减少规则数目，实现参数在线调整，取得很好的控制效果。
为实现上述目的，本发明恒流源偏置外转子轴向磁轴承的控制系统采用的技术方案是该控制系统是由变论域模糊控制器、力/电流变换模块、功率放大模块、恒流源偏置外转子轴向磁轴承样机本体和位移检测模块依次连接构成的闭环系统，变论域模糊控制器由模糊控制器和伸缩因子模糊控制器相并联组成，模糊控制器包括基于模糊整定规则在线调整下的PID分数阶控制器，位移检测模块由电涡流位移传感器和位移接口电路依次连接组成；样机本体的轴向位置用位移传感器检测，检测出的位移信号通过位移接口电路处理输出位移输出信号A位移输出信号z与给定的参考位置信号Fz*进行比较得到偏差e及其变化率ec，将偏差e及其变化率ec均输入到变论域模糊控制器，变论域模糊控制器输出力信号经力/电流变换模块变换后成为控制电流参考信号，控制电流参考信号输入功率放大模块后输出控制电流驱动样机本体。本发明恒流源偏置外转子轴向磁轴承的控制系统的控制方法采用的技术方案是包括如下步骤
(1)在变论域模糊控制器中，偏差e及其变化率ec均作为模糊控制器和伸缩因子模糊控制器的输入变量；伸缩因子模糊控制器先对输入变量通过模糊化计算转化成模糊量，再将模糊化的输出量按照伸缩因子规则进行模糊推理计算，最后通过解模糊化计算输出偏差e的伸缩因子a1(t)、偏差变化率ec的伸缩因子a2(t)、输出量的伸缩因子β(t)的精确量，并将精确量反馈到模糊控制器；
(2)模糊控制器对所述输入变量通过模糊化计算转化成模糊量，经模糊化处理的输出量作为模糊整定规则在线调整下的分数阶PID控制器处理的输入量，实时调整比例系数Kp、积分系数ki、微分系数1、微分阶次系数μ以及积分阶次系数#的大小，PID分数阶控制器的输出量经过模糊推理与解模糊输出力信号Fz*。本发明与现有技术相比的有益效果在于1、因为分数阶PID控制器比整数阶PID控制器多了 2个调节自由度λ和μ，使得分数阶控制器对对象参数变化不敏感，对非线性有很强的抑制能力，因此当磁轴承模型参数发生变化时，能够更好地保证系统稳定性。2、分数阶微积分比传统控制器的设计更加灵活，而微分和积分阶次的改变，比改变比例、积分和微分的系数更加容易改变系统的频域响应特性，因此可以更好地设计鲁棒控制系统。3、由于分数阶PID控制器和常规PID控制器一样不具有在线整定参数的功能，因此不能满足在不同工况下系统对参数的自整定要求，从而影响其控制效果的进一步提高。将模糊控制和PID控制两者结合起来，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有分数阶PID控制精度高的特点，且使得PID控制器适应被控对象的变化，获得更好的控制性能。4、将变论域的思想融合到模糊分数阶PID控制器中，通过非线性伸缩因子实时地调节论域，可显著减少初始规则的数量，在期望控制点有效地提高控制精度。因此利用模糊变论域设计自适应模糊控制器，使用简单的论域划分即可达到高精度的控制效果，恰好可以弥补模糊分数阶PID控制器多增加两个参数所导致的模糊规则繁杂的缺点。在模糊规则形式不变的前提下，可以根据误差在线调整论域及控制器输出，其论域随着误差变小而收缩，或者随着误差增大而扩展，从而达到提高控制精度的目的。
图1为本发明恒流源偏置外转子轴向磁轴承的控制系统总体框 图中-Ja.变论域模糊控制器;a.模糊控制器;al.模糊化;a2.模糊整定规则;a3. PID分数阶控制器;a4.模糊推理;A.伸缩因子模糊控制器；A1.模糊化;A2.模糊整定规则；A3.模糊推理；A4.解模糊.’b.力/电流变换模块;c.功率放大模块'd.样机本体；e.位移检测模块;el.位移传感器;e2.位移接口电路；
8.开关功率放大器；9.恒流源。
具体实施例方式如图1，本发明恒流源偏置外转子轴向磁轴承的控制系统由变论域模糊控制器Aa，力/电流变换模块&功率放大模块c，样机本体V (即恒流源偏置外转子轴向磁轴承)和位移检测模块/依次连接构成一个闭环系统。变论域模糊控制器Aa由模糊控制器a和伸缩因子模糊控制器A相并联组成。模糊控制器a包括基于模糊整定规则a2在线调整下的PID分数阶控制器a3。功率放大模块c由开关功率放大器8和恒流源9共同组成。位移检测模块f由电涡流位移传感器/I和位移接口电路/2依次连接组成。变论域模糊控制器ha输出信号经力/电流变换模块6变换后成为控制电流参考信号，控制电流参考信号输入功率放大模块c后输出控制电流，驱动样机本体A样机本体J (即恒流源偏置外转子轴向磁轴承)的轴向位置采用位移传感器/I进行检测，检测出的位移信号通过位移接口电路/2处理，输出调制后的位移输出信号A位移输出信号z与给定的参考位置信号z*进行比较，得到的偏差e及其变化率ec输入到变论域模糊控制器As。在变论域模糊控制器A3中，偏差e及其变化率ec均作为模糊控制器a和伸缩因子模糊控制器A的输入变量。伸缩因子模糊控制器A首先对输入变量通过模糊化Al计算转化成模糊量。模糊化Al的具体步骤为首先定义输入输出变量的论域，然后设“负大(NB)”、“负中(NM)”、“负小(NS)”、“零(Z0)”、“正小(PS)”、“正中(PM)”、“正大(PB)” 这 7 个语言变量为所对应的语言变量，即模糊化完成。然后将模糊化Al的输出量按照伸缩因子规则A2进行模糊推理计算A3。其中，伸缩因子规则A2的形成法则为在模糊控制器a的模糊整定规则32形成(形状)不变的前提下，论域根据偏差变小而收缩起来，同时也可根据偏差增大而膨胀起来，继而可形成收缩因子规则A2。若定义初始论域为[-E，E ]，可根据伸缩因子规则A2将初始论域通过线性变换的运算方式，收缩或扩大其论域的值即可形成可变论域。例如定义a⑷为偏差变量e的连续函数，aeE[-1l]，则偏差e的可变论域即可形成，即通过“伸缩”因子a W变换为[-a (x )E,a Cr )E ]。这种规则的在线生成可降低对控制器初始规则数量的要求，恰好弥补控制器中由于采用分数阶PID所产生的额外两个可调参数』和//所造成的规则复杂性。因此，使本发明的可变论域的模糊控制器的控制效果大为改善，整个算法较为简捷，实时性较好，精度高。当e和^较大时，此时本发明控制系统主要是以快速减小误差，加快动态响应为目标。因此，应取较大的控制量以 便迅速减小e和因此此时的输入论域应取较大的论域，即输入论域较初始论域应为“膨胀式”，则输出论域基本可以保持不变；当e和A较小时，此时本发明控制系统逐渐处于稳定状态，主要目标为进一步减少偏差，实现系统的无静差运行。因此，此时的输出论域应取较大的论域，即输出论域较初始论域应为“膨胀式”，同时输入论域应取较小的论域，即输入论域较初始论域应为“收缩式”。在模糊推理A3计算中，变论域模糊控制器Aa中两个模糊控制器均包含49条控制规则。根据所制定的伸缩因子规则A2，结合传统磁轴承控制系统的模糊经验和专家知识，列出伸缩因子^⑴、a2⑴、⑴模糊控制规则表，即可得到伸缩因子^⑴(偏差e的伸缩因子)、a2(0 (偏差变化率&的伸缩因子)、it)(输出量/的伸缩因子)的模糊量，最后将其通过解模糊化A4计算，输出三个伸缩因子AU)、a2U)、卢⑴的精确量，并将精确量反馈到模糊控制器a。a.1t),a2{t)对模糊控制器的两个输入量e和&的论域进行实时调节，U)对模糊控制器的输出量/^的论域进行实时调节。其中，解模糊A4是一个从模糊集合到普通集合的过程，其作用是将由模糊推理得到的已知模糊集合通过合适的方法转换成相应的能直接用于控制的精确量进行输出。本发明根据实际控制对象，采用重心法进行解模糊，其计算方便，并具有较高的精度。模糊控制器a也首先对输入变量通过模糊化a I计算转化成模糊量，模糊控制器a中的模糊化与伸缩因子模糊控制器A中的模糊化Al相同。模糊控制器a的两个输入量除e和&之外，伸缩因子模糊控制器Al输出的伸缩因子也作为模糊控制器a的输入。经模糊化al处理的输出量作为基于实时调整的模糊整定规则al在线调整下的分数阶PID控制器a3处理的输入量，实时调整比例系数&，积分系数尤，微分系数I，微分阶次系数』，积分阶次系数U的大小，然后PID分数阶控制器a3的输出量经过模糊推理a4与解模糊旧输出力信号&*，力信号是变论域模糊控制器Aa的输出。模糊推理a4和解模糊a5的方法与伸缩因子模糊控制 器A中模糊推理A3和解模糊A4的方法相同。基于模糊整定规则a2在线调整下的PID分数阶控制器a3应从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳定精度等方面考虑，其整定控制参数的方法为在模糊整定规则a2下的分数阶PID控制器a3中，以仏Kp Ka I u这五个PID参数值作为控制量，当偏差^较大时，选取控制量以快速消除偏差为主，以保证系统具有较好的快速跟踪性能，同时避免出现较大的超调。当偏差e较小时，选取控制量要防止超调量，以系统稳定性为主要出发点，同时要防止系统在设定值附近出现振荡。根据工程技术知识和实际操作经验，可建立合理的模糊规则。在此基础上，除了模糊控制器a的两个输入量e和^之外，伸缩因子模糊控制器Al输出的三个伸缩因子a抓社抓后⑴也作为模糊控制器a的输入，通过非线性收缩因子实时地调节论域，变论域模模糊控制器Aa可以显著减少初始规则的数量，在期望控制点有效地提高控制精度。然后根据缩减的模糊控制规则作出模糊推理在线改变PID参数的值，实时调整&、(、&、』、#的大小，从而实现PID参数的自整定，从而得到变论域模糊控制器Aa的输出力信号&*。其中，PID分数阶控制器a3中的分数阶微分和积分，采用Oustaloup算法，在频率段内离散成近似模型的阶数，则按照模糊推理过程和离散的模型方程，完成模糊PID分数阶控制器a3的数字实现。最后变论域模糊控制器Aa的输出力信号&*，再经过力/电流变换模块6输出控制电流参考信号厶*。然后经过开关功率放大器8输出控制电流iz驱动恒流源偏置外转子轴向磁轴承(即样机本体必的轴向控制线圈，恒流源9给恒流源偏置线圈提供偏置电流iz0,实现恒流源偏置外转子轴向磁轴承的闭环控制。为了获得满意的控制精度，减少规则数目，实现参数在线调整，取得很好的控制效果，本发明通过采用一个附加控制器，即伸缩因子控制器，来和传统的模糊控制器共同构成一个变论域模糊控制器。伸缩因子控制器可以实时改变系统模糊控制器的论域，弥补了传统单独采用一个模糊控制器不能在线调整参数的不足。变论域模糊控制是利用专家经验及知识建立模糊控制规则，运用模糊推理，系统模糊控制器的论域进行实时调整，使系统模糊控制器的论域在各个控制过程中都为最佳，在很大程度上降低了对专家经验和知识的依赖性，提闻了|吴糊系统的自适应能力和鲁棒性。本发明用分数阶PID控制器(PI aDw控制器)代替常规的整数阶PID控制器，结合变论域模糊控制和分数阶PID控制器控制的优点，可使得恒流源偏置外转子轴向磁轴承系统实现其悬浮力的稳定控制，具有更加良好的静态和动态稳定性，增强了系统的自适应能力和对外界干扰具有较强的鲁棒性。以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
权利要求
1.一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承的控制系统，其特征是该控制系统是由变论域模糊控制器(Aa)、力/电流变换模块、功率放大模块、恒流源偏置外转子轴向磁轴承样机本体和位移检测模块依次连接构成的闭环系统，变论域模糊控制器(Aa)由模糊控制器Ca)和伸缩因子模糊控制器(A)相并联组成，模糊控制器Ca)包括基于模糊整定规则在线调整下的PID分数阶控制器(a3)，位移检测模块由电涡流位移传感器和位移接口电路依次连接组成；样机本体的轴向位置用位移传感器检测，检测出的位移信号通过位移接口电路处理输出位移输出信号A位移输出信号z与给定的参考位置信号z*进行比较得到偏差e及其变化率ec，将偏差e及其变化率ec均输入到变论域模糊控制器(Aa )，变论域模糊控制器(As ) 输出力信号经力/电流变换模块变换后成为控制电流参考信号，控制电流参考信号输入功率放大模块后输出控制电流驱动样机本体。
2.一种如权利要求1所述控制系统的控制方法，其特征是包括如下步骤(1)在变论域模糊控制器(As)中，偏差e及其变化率ec均作为模糊控制器(a )和伸缩因子模糊控制器(A)的输入变量；伸缩因子模糊控制器(A)先对输入变量通过模糊化计算转化成模糊量，再将模糊化的输出量按照伸缩因子规则(A2)进行模糊推理计算，最后通过解模糊化计算输出偏差e的伸缩因子S1 ( )、偏差变化率&的伸缩因子a2 ( )、输出量Z7z*的伸缩因子β ( )的精确量，并将精确量反馈到模糊控制器(a);(2)模糊控制器(a)对所述输入变量通过模糊化计算转化成模糊量，经模糊化处理的输出量作为模糊整定规则(a2)在线调整下的分数阶PID控制器(a3)处理的输入量，实时调整比例系数&、积分系数尤、微分系数1、微分阶次系数』以及积分阶次系数//的大小，PID 分数阶控制器(a3)的输出量经过模糊推理与解模糊输出力信号
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是所述模糊化的具体步骤为先定义输入输出变量的论域，再设语言变量，最后将模糊化的输出量按照伸缩因子规则(A2)进行模糊推理计算。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是伸缩因子规则(A2)的形成法则为在模糊控制器(a)的模糊整定规则(a2)形成不变的前提下，论域根据偏差变小而收缩，根据偏差增大而膨胀；当偏差e及其变化率ec值较大时,输入论域取较大的论域,输出论域保持不变；当偏差e及其变化率^值较小时，输出论域取较大的论域，输入论域取较小的论域。
全文摘要
本发明公开一种恒流源偏置外转子轴向磁轴承的控制系统及其控制方法，该控制系统是由变论域模糊控制器、力/电流变换模块、功率放大模块、样机本体和位移检测模块依次连接构成的闭环系统，变论域模糊控制器由模糊控制器和伸缩因子模糊控制器相并联组成，模糊控制器包括基于模糊整定规则在线调整下的PID分数阶控制器；位移输出信号与给定的参考位置信号进行比较得到的偏差e及其变化率ec均作为模糊控制器和伸缩因子模糊控制器的输入变量；伸缩因子模糊控制器对输入变量通过模糊化计算转化成模糊量，再将输出量按照伸缩因子规则进行模糊推理计算，输出伸缩因子，反馈到模糊控制器；对非线性有很强的抑制能力，能更好地保证系统稳定性。
文档编号G05B13/04GK103034126SQ20121056508
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者张维煜, 朱熀秋 申请人:江苏大学