單自由度主動磁軸承支持向量機自適應逆控制器構造方法
【專利摘要】本發明涉及一種單自由度主動磁軸承支持向量機自適應逆控制器構造方法，包括以下步驟：1）將力到電流變換器、開關功率放大器、單自由度主動磁軸承、電渦流位移傳感器以及位移接口電路作為一個整體構成復合被控對象；2）采用支持向量機構建復合被控對象的回歸模型和逆回歸模型；3）將逆回歸模型作為前饋控制器，串聯在復合被控對象之前，構成逆控制器；4）在線實時調整回歸模型和逆控制器的權值參數；5）將逆控制器和回歸模型相結合構成支持向量機自適應逆控制器，控制復合被控對象。本發明可有效消除傳統控制方法因反饋控制而導致的系統不穩定問題，對系統數學模型和參數變化具有較強的自適應性和魯棒性。
【專利說明】單自由度主動磁軸承支持向量機自適應逆控制器構造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種單自由度主動磁軸承支持向量機自適應逆控制器構造方法，屬于磁懸浮傳動/驅動控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]主動磁軸承利用線圈產生的電磁力使轉子懸浮于空間，實現定、轉子之間無機械接觸，是一種高性能的新型軸承。磁軸承的主要優點為無機械摩擦磨損、無需潤滑和密封、低噪聲、無污染、高速高精、壽命長等。基于上述優點，磁軸承在航空航天、精密機床、機器人、機械工業、真空技術、能源交通等高科技領域具有潛在的應用前景。
[0003]目前應用于單自由度主動磁軸承系統的控制方法主要有如PID控制等的反饋控制方法，這些反饋控制方法雖然相對比較簡單易行，但是會導致系統的不穩定問題。與傳統的反饋控制方法不同，自適應逆控制方法是利用自適應濾波方法來研究解決控制問題，采用自適應濾波技術對系統動態響應特性進行控制，采用自適應噪聲消除器消除、抑制被控對象的外界擾動。也就是說，自適應逆控制方法利用被控對象的逆模型作為前饋控制器對系統動態性能進行開環控制，不僅可以有效避免由反饋引起的系統不穩定問題，而且可以同時分開處理系統的動態性能控制與對象外界擾動的控制問題，互不影響。由于單自由度主動磁軸承系統是一個非線性時變復雜系統，很難獲得系統的精確數學模型及其逆模型，而支持向量機具有對線性、非線性系統良好的回歸能力，因此將自適應逆控制方法與支持向量機回歸策略相結合，本發明提出了基于支持向量回歸的單自由度主動磁軸承自適應逆控制方法，該方法利用支持向量機辨識被控對象的回歸模型及其逆回歸模型，來實現被控對象的自適應逆控制，使系統具有很強的自適應性和魯棒性。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了克服單自由度主動磁軸承系統現有控制方法的缺陷，提出一種不依賴于系統精確模型、并能有效抑制建模誤差和外部擾動噪聲的單自由度主動磁軸承支持向量機自適應逆控制器構造方法。
[0005]本發明采用的技術方案是依次采用如下步驟:
[0006]單自由度主動磁軸承支持向量機自適應逆控制器構造方法，其特征是依次按以下步驟:
[0007]I)將力到電流變換器、開關功率放大器、單自由度主動磁軸承、電渦流位移傳感器以及位移接口電路作為一個整體構成復合被控對象，其輸入為軸向懸浮力給定信號F:、輸出為軸向位移信號z ;
[0008]2)采用支持向量機構建復合被控對象的回歸模型和逆回歸模型，并分別離線確定回歸模型和逆回歸模型的權值參數W1GO W2(k);其中k為當前的采樣時刻；
[0009]3)將逆回歸模型作為前饋控制器，串聯在復合被控對象之前，構成逆控制器，其輸入輸出分別為k時刻的軸向位移給定信號z*(k)和k時刻的軸向懸浮力給定信號[0010]4)將逆控制器的k時刻的輸出軸向懸浮力給定信號 < 同時驅動復合被控對象和回歸模型，并將復合被控對象的實際軸向位移輸出z(k)減去回歸模型的輸出i(A)，得到回歸誤差A㈨=咖)-取)，用該誤差信息在線實時調整回歸模型的權值參數W1GO ;將復合被控對象的實際軸向位移輸出Z(k)減去軸向位移給定信號z*(k)，得到控制誤差e2 (k) =z (k) -Z* (k)，用該誤差信息在線實時調整逆控制器的權值參數W2 (k)；
[0011]5)將逆控制器和回歸模型相結合構成支持向量機自適應逆控制器，控制復合被控對象。
[0012]步驟2)中，離線確定回歸模型權值參數W1GO的方法是:將軸向懸浮力信號Fz(k)施加到復合被控對象的輸入端，米集復合被控對象不同時刻的輸入軸向懸浮力信號Fz (k)、Fz (k-Ι)，以及其不同時刻的輸出軸向位移信號z (k-1)、z (k-2)和z (k-3)作為支持向量機的輸入，采集復合被控 對象k時刻的輸出軸向位移信號z (k)為支持向量機的輸出，組成支持向量機的訓練樣本集{Fz (k)，Fz (k-1)，z (k-1)，z (k-2)，z (k-3)，z (k)}，支持向量機的核函數選為高斯核函數，根據單自由度主動磁軸承實際情況選取合適的正則化參數與核寬度，對支持向量機進行訓練，確定支持向量機的向量系數和閾值，從而離線確定回歸模型的權值參數W1GO ;
[0013]離線確定逆回歸模型權值參數W2GO的方法是:采集復合被控對象k-1時刻的輸入軸向懸浮力信號Fz (k-ι)，以及其不同時刻的輸出軸向位移信號z (k)、z (k-1)、z (k-2)和z (k-3)作為支持向量機的輸入，采集復合被控對象的k時刻的輸入軸向懸浮力信號Fz(k)為支持向量機的輸出，組成支持向量機的訓練樣本集{Fz(k-1), z (k), z (k-1), z (k-2),z (k-3)，Fz (k) }，支持向量機的核函數選為高斯核函數，根據單自由度主動磁軸承實際情況選取合適的正則化參數與核寬度，對支持向量機進行訓練，確定支持向量機的向量系數和閾值，從而離線確定逆回歸模型的權值參數W2(k);其中，Fz (k)、Fz (k-Ι)分別為復合被控對象k時刻和k-Ι時刻的輸入軸向懸浮力信號；z (k)、z (k-1)、z (k-2)、z (k-3)分別為復合被控對象k時刻、k-1時刻、k-2時刻和k-3時刻的輸出軸向位移信號；k表示當前的采樣時刻。
[0014]步驟4)中，回歸模型權值參數W1GO在線實時調整的公式為:
[0015]+ = +U)
V SWlIk) J
[0016]其中，W1GO W1 (k+i)分別為k時刻和k+i時刻回歸模型的權值；H1為學習速率，其值大小根據單自由度主動磁軸承實際運行情況選取^(k)為k時刻的均方根誤差，
[0017]逆回歸模型權值參數W2GO在線實時調整的公式為:
[0018]W2{k + l) = W2{k) + n2[-^r}\(2)
Iv dW2(k)
[0019]其中，W2(k)和W2(k+1)分別為k時刻和k+Ι時刻逆回歸模型的權值；H2為學習速率，其值大小根據單自由度主動磁軸承實際運行情況選取；E2(k)為k時刻的均方根誤差，即
【權利要求】
1.單自由度主動磁軸承支持向量機自適應逆控制器構造方法，其特征是依次按以下步驟: 1)將力到電流變換器、開關功率放大器、單自由度主動磁軸承、電渦流位移傳感器以及位移接口電路作為一個整體構成復合被控對象，其輸入為軸向懸浮力給定信號荇、輸出為軸向位移信號Z ； 2)采用支持向量機構建復合被控對象的回歸模型和逆回歸模型，并分別離線確定回歸模型和逆回歸模型的權值參數W1GO和胃200 ;其中k為當前的采樣時刻； 3)將逆回歸模型作為前饋控制器，串聯在復合被控對象之前，構成逆控制器，其輸入輸出分別為k時刻的軸向位移給定信號z*(k)和k時刻的軸向懸浮力給定信號 4)將逆控制器的k時刻的輸出軸向懸浮力給定信號F同時驅動復合被控對象和回歸模型，并將復合被控對象的實際軸向位移輸出z(k)減去回歸模型的輸出砂)，得到回歸誤差= S⑷，用該誤差信息在線實時調整回歸模型的權值參數^㈨；將復合被控對象的實際軸向位移輸出z(k)減去軸向位移給定信號z*(k)，得到控制誤差e2 (k) =z (k) -Z* (k)，用該誤差信息在線實時調整逆控制器的權值參數W2 (k)； 5)將逆控制器和回歸模型相結合構成支持向量機自適應逆控制器，控制復合被控對象。
2.根據權利要求1所述的單自由度主動磁軸承支持向量機自適應逆控制器構造方法，其特征在于，步驟2)中，離線確定回歸模型權值參數巧仏)的方法是:將軸向懸浮力信號Fz(k)施加到復合被控對象的輸入端,米集復合被控對象不同時刻的輸入軸向懸浮力信號Fz(k)、Fz(k-1)，以及其不同時刻的輸出軸向位移信號z(k-l)、z(k-2)和z(k-3)作為支持向量機的輸入，米集復合被控對象k時刻的輸出軸向位移信號z(k)為支持向量機的輸出，組成支持向量機的訓練樣本集{Fz(k), Fz (k-1), z(k-l), z (k_2), z (k_3), z(k)},支持向量機的核函數選為高斯核函數，根據單自由度主動磁軸承實際情況選取合適的正則化參數與核寬度，對支持向量機進行訓練，確定支持向量機的向量系數和閾值，從而離線確定回歸模型的權值參數W1GO ; 離線確定逆回歸模型權值參數W2(k)的方法是:采集復合被控對象k-Ι時刻的輸入軸向懸浮力信號Fz (k-Ι)，以及其不同時刻的輸出軸向位移信號z (k)、z (k-1)、z (k-2)和z (k-3)作為支持向量機的輸入，采集復合被控對象的k時刻的輸入軸向懸浮力信號Fz (k)為支持向量機的輸出，組成支持向量機的訓練樣本集{Fz(k-1), z (k), z (k-1), z (k-2),z (k-3)，Fz (k) }，支持向量機的核函數選為高斯核函數，根據單自由度主動磁軸承實際情況選取合適的正則化參數與核寬度，對支持向量機進行訓練，確定支持向量機的向量系數和閾值，從而離線確定逆回歸模型的權值參數W2(k);其中，Fz (k)、Fz (k-Ι)分別為復合被控對象k時刻和k-Ι時刻的輸入軸向懸浮力信號；z (k)、z (k-1)、z (k-2)、z (k-3)分別為復合被控對象k時刻、k-1時刻、k-2時刻和k-3時刻的輸出軸向位移信號；k表示當前的采樣時刻。
3.根據權利要求1所述的單自由度主動磁軸承支持向量機自適應逆控制器構造方法，其特征在于，步驟4)中，回歸模型權值參數W1GO在線實時調整的公式為:
【文檔編號】G05B13/04GK103645637SQ201310665706
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】孫曉東, 陳龍, 江浩斌, 楊澤斌, 李可 申請人:江蘇大學