磁轴承控制参数优化方法、控制系统及磁轴承与流程

阅读：评论：0

1.本发明涉及磁轴承控制技术领域，具体涉及一种磁轴承控制参数优化方法、控制系统及磁轴承。

背景技术：

2.磁轴承，是一种新型高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。
3.磁轴承系统是由以下五部分组成：控制器、转子、电磁铁、传感器和功率放大器。其中最为关键的部件就是控制器。控制器的性能基本上决定了整个磁悬浮轴承系统的性能。控制器的控制规律决定了磁轴承系统的动态性能以及刚度、阻尼和稳定性。
4.主动磁悬浮轴承-转子系统(active magnetic bearing，amb)因其与传统轴承-转子系统相比具有无摩擦、能耗低等多项优点而备受关注。但其控制较为困难，轴承控制器的参数极大地影响了轴承控制系统的动态响应速度、控制带宽以及系统运行的稳定性，使用pid 控制时，对pid参数整定较为困难。而在实际设计该参数的过程中，轴承控制涉及到控制算法，需要调节控制参数以保证优良的轴承控制性能，人为整定很难整定到最优的参数，无法保证一定参数范围内的最优控制。

技术实现要素：

5.本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种磁轴承控制参数优化方法、控制系统及磁轴承，该方法通过自动寻优，获得一定参数范围内的最优参数，从而增强控制的可靠性，提升轴承控制性能，提高系统的稳定性。
6.为解决上述技术问，本发明第一方面提供一种磁轴承控制参数优化方法，包括以下步骤：
7.s1:以磁轴承系统的pid控制器的kp为x轴，pid控制器的kd为y轴，构建二维平面；
8.s2:设目标优化指标j
itae
，在所构建的二维平面中取不共线的三个点x0、x1、x2；其中，t为时间，e(t)为轴承转子偏离参考位置x
ref
与实际反馈值x
fb
的差值；
9.s3:以三个点x0、x1、x2为顶点构建单纯形；
10.s4:算出各个顶点的函数j
itae
值，记为f(x0)、f(x1)、f(x2)，设f(x0)》f(x1)》f(x2)；
11.s5:进行参数判断；
12.若f(x0)-f(x2)《epsilon，输出寻优结果，寻优结果为x0、x1、x2坐标值相加后的平均值；其中，epsilon为收敛误差；
13.若不满足f(x0)-f(x2)《epsilon，则用采用单纯形法进行搜索。
14.进一步的，在步骤s2中，所选取的三个点均是根据经验整定得到能稳定悬浮的pi 参数。
15.进一步的，在步骤s5中，所述采用单纯形法进行搜索，包括以下步骤：
16.s51：取x1、x2的中点坐标为x3，在x0、x3的延长线上取坐标点x4，使x4
17.＝x3+delta(x3-x0)；其中，delta为反射系数；
18.s52：算出坐标点x4的函数j
itae
值，记为f(x4)；
19.s52：构建新单纯形，并返回步骤s2。
20.进一步的，在步骤s52中，所述构建新单纯形的方式包括扩张处理、回缩处理、压缩处理和直接成形处理。
21.进一步的，所述扩张处理具体为；
22.若f(x4)《f(x2)，则继续沿x0、x4方向向前搜索并取坐标点x5，使x5＝x3+
23.alpha(x3-x0)，其中，alpha为扩张因子；
24.若f(x5)《f(x4)，以x5代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x5}，并返回步骤s2；
25.若f(x5)》f(x4)，以x4代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x4}，并返回步骤s2。
26.进一步的，所述直接成形处理具体为；
27.若f(x2)《f(x4)《f(x1)，则以x4代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x4}，并返回步骤s2。
28.进一步的，所述回缩处理具体为；
29.若f(x1)《f(x4)《f(x0)，则取坐标点x6，使x6＝betax4，其中，beta为压缩因子；
30.以x6代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x6}，并返回步骤s2。
31.进一步的，所述压缩处理具体为；
32.若f(x0)《f(x4)，则在x0、x3之间取坐标点x7，使x7＝x3-beta(x4-x0)，其中， beta为压缩因子；
33.若f(x7)《f(x0)，以x7代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x7}，并返回步骤s2；
34.若不满足(x7)《f(x0)，则以x2为中心进行缩边，使顶点x0和x1向x2方向移动，形成新坐标点x8、x9，使x8＝(x0+x2)/2、x9＝(x1+x2)/2，以x8代替x0、以x9代替x1，构成新单纯形{x2，x8，x9}，并返回步骤s2。
35.为解决上述技术问，本发明第二方面提供一种磁轴承控制系统，包括控制组件、电流控制器、功率放大器、线圈、转子、位移检测模块、电流检测模块；
36.所述控制组件包括位置pid控制器及与之通讯连接的itae指标计算模块；
37.所述itae指标计算模块用以实现上述的磁轴承控制参数优化方法；
38.其中，电流控制器、功率放大器、线圈、电流检测模块依次连接构成内控制闭环；
39.其中，位置pid控制器、内制闭环、转子、位移检测模块依次连接构成外控制闭环。
40.为解决上述技术问，本发明第三方面提供一种磁轴承，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现上述的磁轴承控制参数优化方法。
41.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：以itae为优化指标，通过单纯形法更新参数，通过自动寻优，寻一定范围内的最优参数，进而改善控制效果，使得磁轴承转子稳定而且高位移精度的悬浮，增强了控制的可靠性，提升轴承控制性能，在很大程度上提高
了系统的稳定性。
附图说明
42.下面结合附图对本发明专利进一步说明。
43.图1为磁轴承控制系统图。
44.图2为控制参数优化方法的流程图。
45.图3为单纯形法进行搜索的处理流程图。
46.图中：
47.1-位置pid控制器；2-itae指标计算模块；3-电流控制器；4-功率放大器；5-线圈； 6-转子；7-电流检测模块；8-位移检测模块。
具体实施方式
48.下面更详细地描述本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
49.实施例1：
50.主动磁悬浮轴承-转子系统(active magnetic bearing，amb)因其与传统轴承-转子系统相比具有无摩擦、能耗低等多项优点而备受关注。但其控制较为困难，轴承控制器的参数极大地影响了轴承控制系统的动态响应速度、控制带宽以及系统运行的稳定性，使用pid控制时，对pid参数整定较为困难。而在实际设计该参数的过程中，轴承控制涉及到控制算法，需要调节控制参数以保证优良的轴承控制性能，人为整定很难整定到最优的参数，无法保证一定参数范围内的最优控制。
51.为解决上述问题，实施例1提供一种磁轴承控制参数优化方法，通过自动寻优，获得一定参数范围内的最优参数，从而增强控制的可靠性，提升轴承控制性能，提高系统的稳定性。
52.对于任何一个控制系统，都是能量变换和传送过程，这种过程不可能瞬时完成，需要一定时间，因此初始误差是不可避免的，对控制系统动态性能影响最大的是中频段，反映在时域内是t∈(ts，t
t
)之间。itae是时间乘以误差绝对值积分准则，定义系统的误差 e(t)＝r(t)-y(t)，则可以定义出itae指标，即
53.itae最佳控制律是对期望输入r(t)和实际输出y(t)的误差e(t)加以时间t的权，在过渡过程之初，t
→
0，权t对e(t)的影响极小；在中频段即t∈(ts，t
t
)之间，随着权值的增加，逐渐加强了权t对e(t)的权值作用，以抑制起始误差的增大，促使它加快收敛，同时也考虑了响应在后来出现的误差作用，而且它综合了系统的快速性、稳定性的性能评价综合指标，能够较全面地反映系统的控制效果，具有很好的工程实用性和选择性。对于同一个系统，在不同控制参数下的itae的值越小越好。
54.如图1-2所示，该控制参数优化方法包括以下步骤：
55.s1:以磁轴承系统的pid控制器的kp为x轴，pid控制器的kd为y轴，构建二维平面；
56.s2:设目标优化指标j
itae
，在所构建的二维平面中取不共线的三个点x0、x1、x2；其中，t为时间，e(t)为轴承转子偏离参考位置x
ref
与实际反馈值x
fb
的差值；
57.s3:以上述三个点为顶点构建一个单纯形，即三角形；
58.s4:算出各个顶点的函数j
itae
值，记为f(x0)、f(x1)、f(x2)，设f(x0)》f(x1)》f(x2)，说明x0最差，x2最好，x1其差；
59.s5:进行参数判断；
60.若f(x0)-f(x2)《epsilon，其中，epsilon为收敛误差，取值为1e-5，输出寻优结果，寻优结果为x0、x1、x2坐标值相加后的平均值；
61.此处最优结果为三个点x0，x1，x2的参数(kp0，kd0)，(kp1，kd1)，(kp2，kd2) 的平均值kp＝(kp0+kp1+kp2)/3，kd＝(kd0+kd1+kd2)/3；
62.若不满足f(x0)-f(x2)《epsilon，则用采用单纯形法进行搜索。
63.在本实施例中，在步骤s2中，所选取的三个点均是根据经验整定得到能稳定悬浮的 pi参数。
64.在本实施例中，当不满足收敛误差时，为了寻极小点，一般来说应向最差点的非对称方向进行搜索；
65.如图3所示，在步骤s5中，所述采用单纯形法进行搜索，包括以下步骤：
66.s51：取x1、x2的中点坐标为x3，在x0、x3的延长线上取坐标点x4，使x4
67.＝x3+delta(x3-x0)；其中，delta为反射系数，其数值为人为设定，此处取，称x4为x0 关于x3的反射点；
68.s52：算出坐标点x4的函数j
itae
值，记为f(x4)；
69.s52：构建新单纯形，并返回步骤s2，重新寻优。
70.在本实施例中，在步骤s52中，所述构建新单纯形的方式包括扩张处理、回缩处理、压缩处理和直接成形处理。
71.在本实施例中，所述扩张处理具体为；
72.若f(x4)《f(x2)，表明搜索方向正确，可进一步扩张。此时，继续沿x0、x4方向向前搜索并取坐标点x5，使x5＝x3+alpha(x3-x0)，其中，alpha为扩张因子，其数值为人为设定，此处alpha＝1.2～2.0；
73.若f(x5)《f(x4)，则扩张有利，以x5代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x5}，并返回步骤s2，重新寻优；
74.若f(x5)》f(x4)，则扩张不利，以x4代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x4}，并返回步骤s2，重新寻优。
75.在本实施例中，所述直接成形处理具体为；
76.若f(x2)《f(x4)《f(x1)，这说明搜索方向正确，无须扩张。此时，以x4代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x4}，并返回步骤s2，重新寻优。
77.在本实施例中，所述回缩处理具体为；
78.若f(x1)《f(x4)《f(x0)，这表示x4走得太远，应回缩一些。此时，取坐标点x6，使x6＝betax4，其中，beta为压缩因子，其数值为人为在0-1之间设定，此处取0.2；
79.以x6代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x6}，并返回步骤s2，重新寻优。
80.在本实施例中，所述压缩处理具体为；
81.若f(x0)《f(x4)，这表示应进行更多压缩，将新点压缩至x0与x3之间。此时，在x0、x3之间取坐标点x7，使x7＝x3-beta(x4-x0)，其中，beta为压缩因子，其数值为人为在0-1之间设定，此处取0.2；
82.若f(x7)《f(x0)，以x7代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x7}，并返回步骤s2，重新寻优；
83.若不满足(x7)《f(x0)，可以认为x0，x3方向上所有点的函数值f(xi)都大于f(x0) 不能沿此方向搜索。此时，以x2为中心进行缩边，使顶点x0和x1向x2方向移动，形成新坐标点x8、x9，使x8＝(x0+x2)/2、x9＝(x1+x2)/2，以x8代替x0、以x9代替 x1，构成新单纯形{x2，x8，x9}，并返回步骤s2，重新寻优。
84.在本实施例中，由于寻优过程是一个迭代过程，所以需进行最大寻优次数的限制，如定为50次，当大于设定的寻优次数还未到最优参数时，可以考虑再一次寻优。
85.本方法以itae为优化指标，通过单纯形法更新参数，通过自动寻优，寻一定范围内的最优参数，进而改善控制效果，使得磁轴承转子稳定而且高位移精度的悬浮，增强了控制的可靠性，提升轴承控制性能，在很大程度上提高了系统的稳定性。
86.实施例2：
87.实施例2基于实施例1公开一种磁轴承控制系统。
88.如图1所示，该系统包括控制组件、电流控制器3、功率放大器4、线圈5、转子6、位移检测模块8、电流检测模块7；
89.所述控制组件包括位置pid控制器1及与之通讯连接的itae指标计算模块2；
90.所述itae指标计算模块2用以实现上述的磁轴承控制参数优化方法；
91.其中，电流控制器3、功率放大器4、线圈5、电流检测模块7依次连接构成内控制闭环；
92.其中，位置pid控制器1、内制闭环、转子6、位移检测模块8依次连接构成外控制闭环。
93.在本实施例中，位移检测模块8可采用位移传感器，电流检测模块7可采用电流传感器。
94.本磁轴承控制系统采用双闭环控制系统，itae指标计算模块2进行以itae为收敛指标，进行单纯形寻优，再赋值给位置pid控制器1，进行实时控制，不启动itae参数寻优时，不影响轴承控制器的正常工作；位移环的位移检测模块8获取轴承转子偏离参考位置x
ref
的反馈值x
fb
做差得到e(t)，通过位置pid控制器1进行调节，得到控制电流i
ref
，电流环的电流检测模块7对轴承线圈5电流的实时检测，返回反馈电流值i
fb
，并与控制电流值i
ref
做差，利用计算出来的差值给电流控制器3进行电流调节，输出实时占空比 pwm给功率放大器4控制轴承线圈5电流，进而实现轴承转子6的位置控制，使转子6 稳定悬浮于给定参考位置。
95.实施例3：
96.实施例3基于实施例1公开一种磁轴承。
97.该磁轴承包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现上述的磁轴承控制参数优化方法。
98.在本实施例中，计算机可读存储介质可以包括能够存储或传输信息的任何介质。计算机可读存储介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除 rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
99.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项被定义，则在随后中不需要对其进行进一步讨论。
100.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
101.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
102.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
103.本技术如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸的固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
104.上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种磁轴承控制参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1:以磁轴承系统的pid控制器的kp为x轴，pid控制器的kd为y轴，构建二维平面；s2:设目标优化指标j
itae
，在所构建的二维平面中取不共线的三个点x0、x1、x2；其中，t为时间，e(t)为轴承转子偏离参考位置x
ref
与实际反馈值x
fb
的差值；s3:以三个点x0、x1、x2为顶点构建单纯形；s4:算出各个顶点的函数j
itae
值，记为f(x0)、f(x1)、f(x2)，设f(x0)>f(x1)>f(x2)；s5:进行参数判断；若f(x0)-f(x2)<epsilon，则输出寻优结果，寻优结果为x0、x1、x2坐标值相加后的平均值；其中，epsilon为收敛误差；若不满足f(x0)-f(x2)<epsilon，则用采用单纯形法进行搜索。2.根据权利要求1所述的磁轴承控制参数优化方法，其特征在于，在步骤s2中，所选取的三个点均是根据经验整定得到能稳定悬浮的pi参数。3.根据权利要求1所述的磁轴承控制参数优化方法，其特征在于，在步骤s5中，所述采用单纯形法进行搜索，包括以下步骤：s51：取x1、x2的中点坐标为x3，在x0、x3的延长线上取坐标点x4，使x4＝x3+delta(x3-x0)；其中，delta为反射系数；s52：算出坐标点x4的函数j
itae
值，记为f(x4)；s52：构建新单纯形，并返回步骤s2。4.根据权利要求3所述的磁轴承控制参数优化方法，其特征在于，在步骤s52中，所述构建新单纯形的方式包括扩张处理、回缩处理、压缩处理和直接成形处理。5.根据权利要求4所述的磁轴承控制参数优化方法，其特征在于，所述扩张处理具体为；若f(x4)<f(x2)，则继续沿x0、x4方向向前搜索并取坐标点x5，使x5＝x3+alpha(x3-x0)，其中，alpha为扩张因子；若f(x5)<f(x4)，以x5代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x5}，并返回步骤s2；若f(x5)>f(x4)，以x4代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x4}，并返回步骤s2。6.根据权利要求4所述的磁轴承控制参数优化方法，其特征在于，所述直接成形处理具体为；若f(x2)<f(x4)<f(x1)，则以x4代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x4}，并返回步骤s2。7.根据权利要求4所述的磁轴承控制参数优化方法，其特征在于，所述回缩处理具体为；若f(x1)<f(x4)<f(x0)，则取坐标点x6，使x6＝betax4，其中，beta为压缩因子；以x6代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x6}，并返回步骤s2。8.根据权利要求4所述的磁轴承控制参数优化方法，其特征在于，所述压缩处理具体为；若f(x0)<f(x4)，则在x0、x3之间取坐标点x7，使x7＝x3-beta(x4-x0)，其中，beta为压
缩因子；若f(x7)<f(x0)，以x7代替x0，构成新单纯形{x1，x2，x7}，并返回步骤s2；若不满足(x7)<f(x0)，则以x2为中心进行缩边，使顶点x0和x1向x2方向移动，形成新坐标点x8、x9，使x8＝(x0+x2)/2、x9＝(x1+x2)/2，以x8代替x0、以x9代替x1，构成新单纯形{x2，x8，x9}，并返回步骤s2。9.一种磁轴承控制系统，其特征在于，包括控制组件、电流控制器、功率放大器、线圈、转子、位移检测模块、电流检测模块；所述控制组件包括位置pid控制器及与之通讯连接的itae指标计算模块；所述itae指标计算模块用以实现权利要求1-8中任一项所述的磁轴承控制参数优化方法；其中，电流控制器、功率放大器、线圈、电流检测模块依次连接构成内控制闭环；其中，位置pid控制器、内制闭环、转子、位移检测模块依次连接构成外控制闭环。10.一种磁轴承，其特征在于，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现权利要求1-8中任一项所述的磁轴承控制参数优化方法。

技术总结

本申请涉及一种磁轴承控制参数优化方法、控制系统及磁轴承，系统包括控制组件、电流控制器、功率放大器、线圈、转子、位移检测模块、电流检测模块；控制组件包括位置PID控制器及与之通讯连接的ITAE指标计算模块；ITAE指标计算模块用以实现磁轴承控制参数优化方法；电流控制器、功率放大器、线圈、电流检测模块依次连接构成内控制闭环；位置PID控制器、内制闭环、转子、位移检测模块依次连接构成外控制闭环；本方法以ITAE为优化指标，通过单纯形法更新参数，通过自动寻优，寻一定范围内的最优参数，进而改善控制效果，使得磁轴承转子稳定而且高位移精度的悬浮，增强了控制的可靠性，提升轴承控制性能，在很大程度上提高了系统的稳定性。性。性。