专利名称：磁悬浮分子泵的模糊控制方法和模糊控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于流体设备安装的控制方法，尤其涉及一种磁悬浮分子泵的模糊控制方 法和模糊控制系统。
背景技术：
磁悬浮分子泵是利用磁轴承产生电磁力使转子悬浮在空中，实现转子和定子之间 无机械接触且转子位置可主动控制的一种新型高性能分子泵。由于磁悬浮分子泵具有无摩 擦、无需润滑、无污染、高速度、寿命长等优点，因此磁悬浮分子泵广泛用于高真空度、高洁 净度的真空获得领域。磁悬浮分子泵的负载由径向磁轴承和轴向磁轴承共同承担。在工作过程中，磁悬 浮分子泵可能需要在任意位置安装。磁悬浮安装在不同安装位置时，径向磁轴承和轴向磁 轴承分担的负载不同，磁轴承线圈电流也随之变化，因此需要合理分配磁轴承承载力。针对 分子泵安装角α和旋转角β变化的问题，较常见的方法是将径向和轴向磁轴承偏置电流 始终取各种安装情况下所需值的最大值，以保证磁轴承产生的静态磁场满足承载需求，避 免出现径向磁轴承和轴向磁轴承的承载力不足；同时在分子泵安装角α和旋转角β变化 时，采用固定的控制算法保证系统稳定。上述方案的缺陷在于将径向和轴向磁轴承偏置电流均取最大值将导致大部分工 况下磁轴承线圈偏置电流过大，功耗增加，线圈发热严重。不论分子泵安装角α和旋转角 β如何变化，控制程序采用固定的控制算法容易造成系统性能下降。模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑为基础的计算机模糊控制。 控制系统的鲁棒性强、抗干扰能力强，尤其适合于非线性的控制。如今，模糊控制多用于家 用电器领域，如模糊洗衣机、电冰箱、空调器、电饭锅等。由于磁悬浮分子泵是一个非线性系统，且很难建立一个精确的数学模型。因此适 合采用模糊控制方法对其进行控制，保证其在任意安装时均能稳定运行。然而，设计模糊控 制系统达到上述目的需要对所采集的技术变量信息有一个明确的认知。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现在技术中无法根据分子泵实现静态悬浮时的 径向磁轴承静态电流信息、轴向磁轴承静态电流信息及磁悬浮分子泵运行时的转子位置变 化情况，自动调整其控制参数，保证该磁悬浮分子泵的稳定运行。为此，本发明要提出一种磁悬浮分子泵的模糊控制方法和模糊控制系统，可以在 磁悬浮分子泵安装位置发生变化后，根据分子泵实现静态悬浮时的径向磁轴承静态电流信 息、轴向磁轴承静态电流信息及磁悬浮分子泵运行时的转子位置变化情况，自动调整其控 制参数，保证该磁悬浮分子泵的稳定运行。本发明所采用的技术方案为一种磁悬浮分子泵的模糊控制方法，包括
信息采集步骤通过检测装置检测分子泵实现静态悬浮时的径向磁轴承静态电流信息、轴向磁轴 承静态电流信息；分子泵工作时的转子位移偏差和转子位移偏差变化率；模糊控制步骤根据径向磁轴承静态电流信息和轴向磁轴承静态电流信息估算出磁悬浮分子泵 安装角α和径向磁轴承重力因子；将分子泵安装角α、径向磁轴承重力因子、转子位移偏 差和转子位移偏差变化率模糊化，查询模糊控制规则，经过模糊推理，并去模糊化后输出控 制径向磁轴承偏置电流信息，控制轴向磁轴承偏置电流信息和控制PID参数信息，完成控 制参数整定，根据参数整定后的PID控制算法输出控制信号来控制磁悬浮分子泵的工作， 从而保证分子泵在任意位置安装均能稳定运行。上述的控制方法，在所述信息采集步骤前还包括模糊控制数据库建立步骤根据试验数据和专家知识库建立存储有模糊控制规则的模糊控制数据库。其中， 所述模糊控制规则中的模糊控制数据包括预设模糊分子泵安装角α信息、预设模糊径向 磁轴承重力因子信息、预设模糊转子位移偏差、预设模糊转子位移偏差变化率、预设模糊径 向磁轴偏置电流信息、预设模糊轴向磁轴偏置电流信息和预设模糊PID参数信息；所述模糊控制步骤包括参数计算步骤根据所述磁轴承电磁力系数信息、所述径向磁轴承静态电流信息、所述轴向磁轴 承静态电流信息，通过预设的参数计算公式计算获得径向磁轴承重力因子和分子泵安装角 α信息；控制参数模糊化步骤将所述径向磁轴承重力因子、所述安装角α信息、所述转子位移偏差和所述转子 位移偏差变化率进行模糊化处理获得模糊径向磁轴承重力因子、模糊安装角α信息、模糊 转子位移偏差和模糊转子位移偏差变化率；模糊推理步骤根据所述模糊径向磁轴承重力因子、所述模糊安装角α信息、所述模糊转子位移 偏差和所述模糊转子位移偏差变化率，查询模糊控制规则，经过模糊推理输出所述模糊径 向磁轴承偏置电流信息、所述模糊轴向磁轴偏置电流信息和所述模糊PID参数信息作为模 糊控制信息；去模糊化步骤将所述模糊控制信息进行去模糊化处理得到所述控制径向磁轴承偏置电流信息、 所述控制轴向磁轴承偏置电流信息和所述控制PID参数信息；控制参数信息输出步骤将去模糊化得到的所述控制径向磁轴承偏置电流信息、所述控制轴向磁轴承偏置 电流信息和所述控制PID参数信息进行输出，完成控制参数整定，根据参数整定后的PID控 制算法输出控制信号来控制磁悬浮分子泵的工作。当磁悬浮分子泵转子静态悬浮时，对于径向磁轴承来说，转子与磁极对1之间的 距离和转子与磁极对3相等，转子与磁极对2之间的距离和转子与磁极对4之间的距离相等；对于轴向磁轴承来说，转子与上、下磁轴承之间的距离相等；由此所述磁轴承电磁力计 算公式为
权利要求
1.一种磁悬浮分子泵的模糊控制方法，其特征在于包括 信息采集步骤通过检测装置检测分子泵实现静态悬浮时的径向磁轴承静态电流信息、轴向磁轴承静 态电流信息；分子泵工作时的转子位移偏差和转子位移偏差变化率； 模糊控制步骤根据径向磁轴承静态电流信息和轴向磁轴承静态电流信息估算出磁悬浮分子泵安装 角α和径向磁轴承重力因子；将分子泵安装角α、径向磁轴承重力因子、转子位移偏差和 转子位移偏差变化率模糊化，查询模糊控制规则，经过模糊推理，并去模糊化后输出控制径 向磁轴承偏置电流信息，控制轴向磁轴承偏置电流信息和控制PID参数信息，完成控制参 数整定，根据参数整定后的PID控制算法输出控制信号来控制磁悬浮分子泵的工作，从而 保证分子泵在任意位置安装均能稳定运行。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于在所述信息采集步骤前还包括 模糊控制数据库建立步骤根据试验数据和专家知识库建立存储有模糊控制规则的模糊控制数据库。其中，所述 模糊控制规则中的模糊控制数据包括预设模糊分子泵安装角α信息、预设模糊径向磁轴 承重力因子信息、预设模糊转子位移偏差、预设模糊转子位移偏差变化率、预设模糊径向磁 轴偏置电流信息、预设模糊轴向磁轴偏置电流信息和预设模糊PID参数信息； 所述模糊控制步骤包括 参数计算步骤根据所述磁轴承电磁力系数信息、所述径向磁轴承静态电流信息、所述轴向磁轴承静 态电流信息，通过预设的参数计算公式计算获得径向磁轴承重力因子和分子泵安装角α fn息；控制参数模糊化步骤将所述径向磁轴承重力因子、所述安装角α信息、所述转子位移偏差和所述转子位移 偏差变化率进行模糊化处理获得模糊径向磁轴承重力因子、模糊安装角α信息、模糊转子 位移偏差和模糊转子位移偏差变化率； 模糊推理步骤根据所述模糊径向磁轴承重力因子、所述模糊安装角α信息、所述模糊转子位移偏差 和所述模糊转子位移偏差变化率，查询模糊控制规则，经过模糊推理输出所述模糊径向磁 轴承偏置电流信息、所述模糊轴向磁轴偏置电流信息和所述模糊PID参数信息作为模糊控 制信息；去模糊化步骤将所述模糊控制信息进行去模糊化处理得到所述控制径向磁轴承偏置电流信息、所述 控制轴向磁轴承偏置电流信息和所述控制PID参数信息； 控制参数信息输出步骤将去模糊化得到的所述控制径向磁轴承偏置电流信息，所述控制轴向磁轴承偏置电流 信息和所述控制PID参数信息进行输出，完成控制参数整定，根据参数整定后的PID控制算 法输出控制信号来控制磁悬浮分子泵的工作。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于当磁悬浮分子泵转子静态悬浮时，对于径向磁轴承来说，转子与磁极对1之间的距离 和转子与磁极对3相等，转子与磁极对2之间的距离和转子与磁极对4之间的距离相等；对 于轴向磁轴承来说，转子与上、下磁轴承之间的距离相等；由此所述磁轴承电磁力计算公式 为
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于 所述参数计算步骤还包括角度优化步骤将通过Fz和F1,以及Fz和F2分别得到的安装角数据通过以下计算公式进行优化处理， 获得更精确的安装角估计值 ；其中，利用多次测量获得的&和&数值计算得到的安装角α”以及多次测量获 得的&和&数值计算得到的安装角a' i取平均值，获得更精确的安装角估计值 ,
5.一种磁悬浮分子泵的模糊控制系统，其特征在于包括 信息采集模块用于通过检测装置检测分子泵实现静态悬浮时的径向磁轴承静态电流信息、轴向磁轴 承静态电流信息和分子泵工作时的转子位移偏差、转子位移偏差变化率； 模糊控制模块与所述信息采集模块连接，用于根据径向磁轴承静态电流信息和轴向磁轴承静态电流 信息估算出磁悬浮分子泵安装角α和径向磁轴承重力因子；将分子泵安装角α、径向磁轴 承重力因子、转子位移偏差和转子位移偏差变化率模糊化，查询模糊控制规则，经过模糊推 理，并去模糊化后输出控制径向磁轴承偏置电流信息，控制轴向磁轴承偏置电流信息和控 制PID参数信息，完成控制参数整定，保证磁悬浮分子泵任意位置安装均能稳定工作。
6.根据权利要求5所述的模糊控制系统，其特征在于所述模糊控制模块包括 参数计算模块用于根据所述磁轴承电磁力系数信息、所述径向磁轴承静态电流信息、所述轴向磁轴 承静态电流信息，通过预设的参数计算公式计算获得径向磁轴承重力因子和分子泵安装角 α信息；模糊控制数据库模块用于存储根据试验数据和专家知识库建立的包含模糊控制规则的模糊控制数据库。其 中，所述模糊控制规则中的模糊控制数据包括预设模糊分子泵安装角α信息、预设模糊径 向磁轴承重力因子信息、预设模糊转子位移偏差、预设模糊转子位移偏差变化率、预设模糊 径向磁轴偏置电流信息、预设模糊轴向磁轴偏置电流信息和预设模糊PID参数信息； 控制参数模糊化模块用于将所述信息采集模块获得的所述径向磁轴承重力因子、所述安装角α信息、所述 转子位移偏差和所述转子位移偏差变化率分别进行模糊化处理获得模糊径向磁轴承重力 因子、模糊安装角α信息、模糊转子位移偏差和模糊转子位移偏差变化率； 模糊推理模块用于根据所述模糊径向磁轴承重力因子、所述模糊安装角α信息、所述模糊转子位移 偏差和所述模糊转子位移偏差变化率，查询模糊控制规则，经过模糊推理输出所述模糊径 向磁轴承偏置电流信息、所述模糊轴向磁轴偏置电流信息和所述模糊PID参数信息作为模糊控制信息；去模糊化模块用于将所述模糊控制信息去模糊化处理得到所述控制径向磁轴承偏置电流信息、所述 控制轴向磁轴承偏置电流信息和控制PID参数信息； 控制参数信息输出模块用于将去模糊化得到的所述控制径向磁轴承偏置电流信息，所述控制轴向磁轴承偏置 电流信息和所述控制PID参数信息进行输出，完成控制参数整定，根据参数整定后的PID控 制算法输出控制信号来控制磁悬浮分子泵的工作。
7.根据权利要求6所述的模糊控制系统，其特征在于当磁悬浮分子泵转子静态悬浮时，对于径向磁轴承来说，转子与磁极对1之间的距离 和转子与磁极对3相等，转子与磁极对2之间的距离和转子与磁极对4之间的距离相等；对 于轴向磁轴承来说，转子与上、下磁轴承之间的距离相等；由此所述磁轴承电磁力计算公式 为
8.根据权利要求7所述的模糊控制系统，其特征在于 所述参数计算模块还包括角度优化模块，用于将通过Fz和F1,以及Fz和F2分别得到的安装角数据通过以下计算 公式进行优化处理，获得更精确的安装角估计值 ；其中，利用多次测量获得的&和&数值计算得到的安装角α”以及多次测量获 得的&和&数值计算得到的安装角a' i取平均值，获得更精确的安装角估计值 ,
全文摘要
本发明涉及一种磁悬浮分子泵的模糊控制方法，包括通过检测装置检测分子泵实现静态悬浮时的径向磁轴承静态电流信息、轴向磁轴承静态电流信息，分子泵工作时的转子位移偏差和转子位移偏差变化率；根据径向磁轴承静态电流信息和轴向磁轴承静态电流信息计算出磁悬浮分子泵安装角α和径向磁轴承重力因子；将分子泵安装角α、径向磁轴承重力因子、转子位移偏差和转子位移偏差变化率模糊化，查询模糊控制规则经过模糊推理，并经过去模糊化后输出控制径向磁轴承偏置电流信息，控制轴向磁轴承偏置电流信息和控制PID参数信息，完成控制参数整定，从而保证其在任意位置安装均能稳定工作。本发明还介绍了一种采用该模糊控制方法的模糊控制系统。
文档编号F04D27/00GK102072184SQ20101061989
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者张凯, 张小章, 李奇志, 武涵, 邹蒙 申请人:北京中科科仪技术发展有限责任公司, 清华大学