CN103034127B - 一种轴向磁轴承控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种轴向磁轴承控制***，该控制***是由模糊控制器、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***，模糊控制器由基于模糊正定规则在线调整下的PID分数阶控制器和力/电流变换模块连接组成，位移检测模块检测的轴向位移信号与给定的参考位置信号比较，得到偏差及其变化率，偏差及其变化率均作为模糊控制器的输入变量，经基于模糊整定规则在线调整下的PID分数阶控制器处理，将比例系数、积分系数、微分系数、微分阶次系数以及积分阶次系数作为控制量，输出力信号，经功率放大模块输出控制电流驱动轴向磁轴承样机本体的轴向控制线圈实现闭环控制，本发明能更好地保证稳定性，适应被控对象的变化，鲁棒性好。
Description
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***。
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***主要由磁轴承机械结构和控制***两部分组成，其中机械结构影响整个磁轴承***的工作性能，其相应的控制***决定了磁轴承***的动态性能以及刚度、阻尼和稳定性，因此机械结构和控制***制约着一个完整的磁轴承***能否可以实现最佳的工作运行情况。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。
轴向磁轴承对转子轴向定位，能否准确和稳定地进行控制，直接影响到对转子的轴向位置准确控制，因此研究轴向磁轴承的控制***具有重要意义。
控制器是控制***中的核心部件，直接影响整个控制***性能的优劣，且整个控制***的控制方法也集中体现于控制器的核心算法。目前工程上多采用PID控制器对磁轴承进行控制，但该方法过分依赖控制对象的模型参数，鲁棒性较差，对于轴向磁轴承控制***这类复杂且极需精密的控制***，单纯采用PID控制器，很难满足***精密控制的要求。源于PID控制器，但区别于传统的PID控制器，分数阶PID控制器（PI λ D μ 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***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λ和积分阶次系数μ，多了两个可调参数，所以控制器参数的整定范围变大。
发明内容
本发明的目的是为克服现有磁轴承控制***的不足而提供一种针对轴向磁轴承的基于模糊整定规则在线调整下的分数阶PID控制***，具有更好的鲁棒性、抗干扰性、适应性和更好的控制精度。
为实现上述目的，本发明轴向磁轴承控制***采用的技术方案是：该控制***是由模糊控制器、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***，模糊控制器由基于模糊正定规则在线调整下的PID分数阶控制器和力/电流变换模块连接组成，位移检测模块检测的轴向位移信号与给定的参考位置信号进行比较，得到偏差e及其变化率e c ，偏差e及其变化率e c 均作为模糊控制器的输入变量，经基于模糊整定规则在线调整下的PID分数阶控制器处理，输出力信号F z *至力/电流变换模块，经力/电流变换模块输出电流参考信号i z *，电流参考信号i z *经功率放大模块输出控制电流i z，驱动轴向磁轴承样机本体的轴向控制线圈实现闭环控制。
所述基于模糊整定规则在线调整下的PID分数阶控制器处理时，将比例系数K p 、积分系数K i 、微分系数K d 、微分阶次系数λ以及积分阶次系数μ作为控制量，当偏差e及其变化率e c 较大时，选取的控制量以快速消除偏差为主；当偏差e及其变化率e c 较小时，选取的控制量要防止超调量。
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***稳定性，降低轴向磁轴承功耗和生产成本，提高工作性能，更加灵活、稳定地控制。
2、分数阶微积分控制器比传统控制器更加灵活，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***的频域响应特性，因此本发明控制***有更好的鲁棒性。
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***对参数的自整定要求，从而影响其控制效果的进一步提高。本发明将模糊控制和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。
附图说明
图1为本发明轴向磁轴承控制***总体框图；
图中：a.模糊控制器；a1.为模糊整定规则；a2. PID分数阶控制器；a3.力/电流变换模块；b.功率放大模块；c.样机本体（即轴向磁轴承），d.位移检测模块；d1.位移传感器；d2.位移接口电路。
具体实施方式
如图1，本发明轴向磁轴承的控制***是由模糊控制器a、功率放大模块b、样机本体c（轴向磁轴承）和位移检测模块d依次连接构成的一个闭环控制***。其中，模糊控制器a由基于模糊正定规则a1在线调整下的PID分数阶控制器a2和力/电流变换模块a3连接组成，位移检测模块d由电涡流位移传感器d1和位移接口电路d2连接组成。轴向磁轴承的轴向位置采用电涡流位移传感器d1进行检测，检测出的位移信号通过位移接口电路d2处理，输出调制后的位移输出信号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e c 。偏差e及其变化率e c 均作为模糊控制器a的输入变量，经过基于模糊整定规则a1在线调整下的PID分数阶控制器a2处理，输出力信号F z *至力/电流变换模块a3，进而输出电流参考信号i z *，该信号即为模糊控制器a的输出信号。电流参考信号i z *经功率放大模块b输出控制电流i z，控制电流驱动轴向磁轴承样机本体c的轴向控制线圈，实现轴向磁轴承的闭环控制。
基于模糊整定规则a1在线调整下的PID分数阶控制器a2应从***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a1下的分数阶PID控制器a2中，将比例系数K p 、积分系数K i 、微分系数K d 、微分阶次系数λ以及积分阶次系数μ这五个 PID 参数值作为控制量，当偏差e及其变化率e c 较大时，选取控制量以快速消除偏差为主，以保证***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及其变化率e c 较小时，选取控制量要防止超调量，以***稳定性为主要出发点，同时要防止***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。其中，PID分数阶控制器a2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，完成模糊分数阶PID 控制器的数字实现。
模糊控制器a的输出控制电流参考信号i z *，经功率放大模块b输出控制电流i z驱动轴向磁轴承的轴向控制线圈，实现轴向磁轴承的闭环控制。
本发明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***中模型参数变化及非线性等不确定因素带来的不利影响，可获得更优的控制效果。本发明用分数阶PID控制器（PI λ D μ 控制器）代替常规的整数阶PID控制器，结合了模糊控制和分数阶PID控制器控制的优点，可使得轴向磁轴承***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，且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。
Claims (1)
1.一种轴向磁轴承控制***，其特征是：该控制***是由模糊控制器（a）、功率放大模块（b）、样机本体（c）和位移检测模块（d）依次连接构成的闭环***，模糊控制器（a）由基于模糊整定规则在线调整下的PID分数阶控制器（a2）和力/电流变换模块（a3）连接组成，位移检测模块（d）检测的轴向位移信号与给定的参考位置信号进行比较，得到偏差e及其变化率e c ，偏差e及其变化率e c 均作为模糊控制器（a）的输入变量，经基于模糊整定规则在线调整下的PID分数阶控制器（a2）处理，输出力信号F z *至力/电流变换模块（a3），经力/电流变换模块（a3）输出电流参考信号i z *，电流参考信号i z *经功率放大模块（b）输出控制电流i z，驱动样机本体（c）的轴向控制线圈实现闭环控制；所述基于模糊整定规则在线调整下的PID分数阶控制器（a2）处理时，将比例系数K p 、积分系数K i 、微分系数K d 、微分阶次系数λ以及积分阶次系数μ作为控制量，当偏差e及其变化率e c 较大时，选取控制量以快速消除偏差为主；当偏差e及其变化率e c 较小时，选取控制量要防止超调量；PID分数阶控制器（a2）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。
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