五自由度交流主动磁轴承混合核函数支持向量机检测方法
【专利摘要】本发明公开一种利用混合核函数支持向量机位移预测模型实现五自由度交流主动磁轴承位移自检测的方法，以磁轴承控制电流为输入样本，径向和轴向位移为输出样本，采集样本数据，选用混合核函数，通过粒子群算法优化支持向量机性能参数，利用训练样本和性能参数训练最小二乘支持向量机，建立非线性预测模型。将预测模型串接到五自由度交流主动磁轴承之前，与线性闭环控制器相连，加上第一、第二扩展的电流滞环三相功率逆变器以及开关功率放大器共同构成磁轴承位移闭环控制，实现五自由度交流主动磁轴承无位移传感器自检测，降低磁轴承系统的成本，提高了系统的动态性能。
【专利说明】五自由度交流主动磁轴承混合核函数支持向量机检测方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种五自由度交流主动磁轴承混合核函数支持向量机自检测方法，属于高速及超高速电机传动领域，在航空航天、真空技术、机械工业及能源交通等领域具有广泛的应用前景。
【背景技术】
[0002]磁轴承利用磁场力将转子无接触地悬浮在空中，并且悬浮位置可以由控制系统控制。与传统轴承相比，磁轴承具备了无摩擦磨损、无需润滑、转速高、精度高、寿命长等许多突出优点，特别是在高速机床主轴系统中，主轴的支承方式在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围，将磁轴承应用于高速机床主轴的支承中，为高速机床主轴技术水平的提闻创造了有利条件。
[0003]位移传感器的存在，会占用空间、增加系统成本、降低系统的动态性能，并不适用于高速高精场合，且由于结构的限制，传感器不能装在磁轴承的中间，使系统的控制方程相互耦合，控制器设计较为复杂，为此，磁轴承自检测技术的研究就十分必要。
[0004]目前常用的自检测技术主要包括高频信号注入法，PWM载波分析法，差动变压器法，卡尔曼滤波器法等。但这些方法都是基于磁轴承数学模型的基础上完成的，由于交流混合磁轴承的本质非线性和参数不稳定性，难以建立转子位移的准确计算模型。近年来，由Vapnik等人创立的支持向量机(support vector machine, SVM)以其特有的表达任意非线性映射能力，专门针对小样本情况，能根据有限的样本信息在得到当前的全局最优解，其训练速度快、拓扑结构固定，泛化能力强，能较好地解决非线性、高维数、局部极小等问题，给转子位移的准确预测带来了新的可能性。
[0005]由于使用单一核函数，支持向量机难以兼顾全局拟合与局部拟合，特别对非平坦函数的预测精度不高。按照Mercer定理，核函数在任意有限点集上定义的核矩阵是半正定的对称阵。它允许从简单的构件块创立复杂的核，即Mercer核的非负线性组合仍然是Mercer核。因此可通过对目前常用核函数进行非负组合构造更加灵活的混合核函数，以解决单核函数的局限性问题，使得构成的支持向量机既具有局部核函数学习能力强，便于提取样本的局部特征，拟合性能良好的特点，又具有全局核函数推广能力很强，便于提取样本的全局特征，预测(泛化)性能良好的特点，从而提高支持向量机学习和推广能力。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种五自由度交流主动磁轴承混合核函数支持向量机自检测方法，针对五自由度交流主动磁轴承的本质非线性和参数不稳定性，难以建立转子位移的准确计算模型的特点，利用混合核函数支持向量机建立五自由度交流主动磁轴承位移与电流之间的非线性预测模型，既可实现五自由度交流主动磁轴承无位移传感器的自检测，又克服了现有的几种常用磁轴承自检测技术方法的不足，大大降低磁轴承系统的成本。
[0007]实现本发明的发明目的的技术方案是具有以下步骤:(1)连续采集Cl组磁轴承的电流控制信号Z=Dr1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, X7] = Ua, ib, ic，iu, iv,iw^ ij和位移信号7= Lf1, JV JV JV 7s] = [ 作为支持向量机初始输入输出样本数据，对初始样本数据进行归一化处理后随机选择其中一半作为训练样本集{ ia, ib,ic, iu，iv，ir, iz,xa,ya,xb,yb,z }，另一半作为测试样本集；
(2)选取径向基核函数，利用训练样本集得到核宽度S分别取不同值时径向核函数的映射特性图，保留特性最好的一个核宽度
^构建径向基核函数X,,(u/) = exp(-丨I λ- — Jci Ir 'IS1);选取多项式核函
数，利用训练样本集得到多项式核函数在指数V分别取不同值时的曲映射特性图，保留特性
最好的一个指数V构建多项式核函数Kg(XiXi) = ((XtX1)-1f ’将最优径向基核函数
与最优多项式核函数组成混合核函数
【权利要求】
1.一种五自由度交流主动磁轴承混合核函数支持向量机检测方法，其特征是具有以下步骤:
(1)连续采集q组磁轴承的电流控制信号Z=Dr1, ^2, ^3, ^4, ^5, ^6, X7I = Ua, ib, ic, iu, iv,iw^ ij和位移信号7= Lf1, JV JV JV 7s] = [ 作为支持向量机初始输入输出样本数据，对初始样本数据进行归一化处理后随机选择其中一半作为训练样本集{ ia, ib,ic, iu，iv，ir, iz,xa,ya,xb,yb,z }，另一半作为测试样本集； (2)选取径向基核函数，利用训练样本集得到核宽度^分别取不同值时径向核函数的映射特性图，保留特性最好的一个核宽度S构建径向基核函数KJx^xi) = exp(— y X 一 Xi /IS2);选取多项式核函数，利用训练样本集得到多项式核函数在指数V分别取不同值时的曲映射特性图，保留特性最好的一个指数V构建多项式核函数ΚΛχ.χ:) = ((λ*.X,)-1f ,将最优径向基核函数与最优多项式核函数组成混合核函数 Kk (X, Xi) = AKi (Λ~Xi)十(1- AjK^ (x Xj，i=I，2，…，g/2，，为混合系数，0〈 /〈I ； (3.)以绝对百分比误差为性能指标，采用粒子群算法对惩罚参数f和混合系数，进行优化，保留性能指标最好的一组惩罚参数/和混合系数z作为最优性能参数，利用训练样本集和最优性能参数采用最小二乘法对控制电流和位移关系进行离线学习，获得相应的支持向量系数^和阈值&建立起反映磁轴承电流、位移关系的混合核函数支持向量机位移预测模型
2.根据权利要求1所述五自由度交流主动磁轴承混合核函数支持向量机检测方法,其特征是:步骤(1)中，训练样本集{ ia, ib, ic, iu, iY, iw, iz, xa,ya, xb, 7*，^ }经数据预处理滤去不良数据并归一化后得到训练样本数据库，步骤(3)中，支持向量机利用训练样本数据库及经粒子群算法优化后的核函数与性能参数，经最小二乘法进行离线学习获得相应的支持向量系数a,.和阈值办。
3.根据权利要求1所述五自由度交流主动磁轴承混合核函数支持向量机检测方法,其特征是:步骤(1)中的采样周期为0.1ms，归一化处理时所有变量值限制在[-1，I]之间。
【文档编号】G05B13/04GK103631137SQ201310462473
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】朱熀秋, 金婕, 鞠金涛, 李媛媛 申请人:江苏大学