单自由度主动磁轴承支持向量机自适应逆控制器构造方法
【专利摘要】本发明涉及一种单自由度主动磁轴承支持向量机自适应逆控制器构造方法，包括以下步骤：1）将力到电流变换器、开关功率放大器、单自由度主动磁轴承、电涡流位移传感器以及位移接口电路作为一个整体构成复合被控对象；2）采用支持向量机构建复合被控对象的回归模型和逆回归模型；3）将逆回归模型作为前馈控制器，串联在复合被控对象之前，构成逆控制器；4）在线实时调整回归模型和逆控制器的权值参数；5）将逆控制器和回归模型相结合构成支持向量机自适应逆控制器，控制复合被控对象。本发明可有效消除传统控制方法因反馈控制而导致的系统不稳定问题，对系统数学模型和参数变化具有较强的自适应性和鲁棒性。
【专利说明】单自由度主动磁轴承支持向量机自适应逆控制器构造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单自由度主动磁轴承支持向量机自适应逆控制器构造方法，属于磁悬浮传动/驱动控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]主动磁轴承利用线圈产生的电磁力使转子悬浮于空间，实现定、转子之间无机械接触，是一种高性能的新型轴承。磁轴承的主要优点为无机械摩擦磨损、无需润滑和密封、低噪声、无污染、高速高精、寿命长等。基于上述优点，磁轴承在航空航天、精密机床、机器人、机械工业、真空技术、能源交通等高科技领域具有潜在的应用前景。
[0003]目前应用于单自由度主动磁轴承系统的控制方法主要有如PID控制等的反馈控制方法，这些反馈控制方法虽然相对比较简单易行，但是会导致系统的不稳定问题。与传统的反馈控制方法不同，自适应逆控制方法是利用自适应滤波方法来研究解决控制问题，采用自适应滤波技术对系统动态响应特性进行控制，采用自适应噪声消除器消除、抑制被控对象的外界扰动。也就是说，自适应逆控制方法利用被控对象的逆模型作为前馈控制器对系统动态性能进行开环控制，不仅可以有效避免由反馈引起的系统不稳定问题，而且可以同时分开处理系统的动态性能控制与对象外界扰动的控制问题，互不影响。由于单自由度主动磁轴承系统是一个非线性时变复杂系统，很难获得系统的精确数学模型及其逆模型，而支持向量机具有对线性、非线性系统良好的回归能力，因此将自适应逆控制方法与支持向量机回归策略相结合，本发明提出了基于支持向量回归的单自由度主动磁轴承自适应逆控制方法，该方法利用支持向量机辨识被控对象的回归模型及其逆回归模型，来实现被控对象的自适应逆控制，使系统具有很强的自适应性和鲁棒性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服单自由度主动磁轴承系统现有控制方法的缺陷，提出一种不依赖于系统精确模型、并能有效抑制建模误差和外部扰动噪声的单自由度主动磁轴承支持向量机自适应逆控制器构造方法。
[0005]本发明采用的技术方案是依次采用如下步骤:
[0006]单自由度主动磁轴承支持向量机自适应逆控制器构造方法，其特征是依次按以下步骤:
[0007]I)将力到电流变换器、开关功率放大器、单自由度主动磁轴承、电涡流位移传感器以及位移接口电路作为一个整体构成复合被控对象，其输入为轴向悬浮力给定信号F:、输出为轴向位移信号z ;
[0008]2)采用支持向量机构建复合被控对象的回归模型和逆回归模型，并分别离线确定回归模型和逆回归模型的权值参数W1GO W2(k);其中k为当前的采样时刻；
[0009]3)将逆回归模型作为前馈控制器，串联在复合被控对象之前，构成逆控制器，其输入输出分别为k时刻的轴向位移给定信号z*(k)和k时刻的轴向悬浮力给定信号[0010]4)将逆控制器的k时刻的输出轴向悬浮力给定信号 < 同时驱动复合被控对象和回归模型，并将复合被控对象的实际轴向位移输出z(k)减去回归模型的输出i(A)，得到回归误差A㈨=咖)-取)，用该误差信息在线实时调整回归模型的权值参数W1GO ;将复合被控对象的实际轴向位移输出Z(k)减去轴向位移给定信号z*(k)，得到控制误差e2 (k) =z (k) -Z* (k)，用该误差信息在线实时调整逆控制器的权值参数W2 (k)；
[0011]5)将逆控制器和回归模型相结合构成支持向量机自适应逆控制器，控制复合被控对象。
[0012]步骤2)中，离线确定回归模型权值参数W1GO的方法是:将轴向悬浮力信号Fz(k)施加到复合被控对象的输入端，米集复合被控对象不同时刻的输入轴向悬浮力信号Fz (k)、Fz (k-Ι)，以及其不同时刻的输出轴向位移信号z (k-1)、z (k-2)和z (k-3)作为支持向量机的输入，采集复合被控 对象k时刻的输出轴向位移信号z (k)为支持向量机的输出，组成支持向量机的训练样本集{Fz (k)，Fz (k-1)，z (k-1)，z (k-2)，z (k-3)，z (k)}，支持向量机的核函数选为高斯核函数，根据单自由度主动磁轴承实际情况选取合适的正则化参数与核宽度，对支持向量机进行训练，确定支持向量机的向量系数和阈值，从而离线确定回归模型的权值参数W1GO ;
[0013]离线确定逆回归模型权值参数W2GO的方法是:采集复合被控对象k-1时刻的输入轴向悬浮力信号Fz (k-ι)，以及其不同时刻的输出轴向位移信号z (k)、z (k-1)、z (k-2)和z (k-3)作为支持向量机的输入，采集复合被控对象的k时刻的输入轴向悬浮力信号Fz(k)为支持向量机的输出，组成支持向量机的训练样本集{Fz(k-1), z (k), z (k-1), z (k-2),z (k-3)，Fz (k) }，支持向量机的核函数选为高斯核函数，根据单自由度主动磁轴承实际情况选取合适的正则化参数与核宽度，对支持向量机进行训练，确定支持向量机的向量系数和阈值，从而离线确定逆回归模型的权值参数W2(k);其中，Fz (k)、Fz (k-Ι)分别为复合被控对象k时刻和k-Ι时刻的输入轴向悬浮力信号；z (k)、z (k-1)、z (k-2)、z (k-3)分别为复合被控对象k时刻、k-1时刻、k-2时刻和k-3时刻的输出轴向位移信号；k表示当前的采样时刻。
[0014]步骤4)中，回归模型权值参数W1GO在线实时调整的公式为:
[0015]+ = +U)
V SWlIk) J
[0016]其中，W1GO W1 (k+i)分别为k时刻和k+i时刻回归模型的权值；H1为学习速率，其值大小根据单自由度主动磁轴承实际运行情况选取^(k)为k时刻的均方根误差，
[0017]逆回归模型权值参数W2GO在线实时调整的公式为:
[0018]W2{k + l) = W2{k) + n2[-^r}\(2)
Iv dW2(k)
[0019]其中，W2(k)和W2(k+1)分别为k时刻和k+Ι时刻逆回归模型的权值；H2为学习速率，其值大小根据单自由度主动磁轴承实际运行情况选取；E2(k)为k时刻的均方根误差，即
【权利要求】
1.单自由度主动磁轴承支持向量机自适应逆控制器构造方法，其特征是依次按以下步骤: 1)将力到电流变换器、开关功率放大器、单自由度主动磁轴承、电涡流位移传感器以及位移接口电路作为一个整体构成复合被控对象，其输入为轴向悬浮力给定信号荇、输出为轴向位移信号Z ； 2)采用支持向量机构建复合被控对象的回归模型和逆回归模型，并分别离线确定回归模型和逆回归模型的权值参数W1GO和胃200 ;其中k为当前的采样时刻； 3)将逆回归模型作为前馈控制器，串联在复合被控对象之前，构成逆控制器，其输入输出分别为k时刻的轴向位移给定信号z*(k)和k时刻的轴向悬浮力给定信号 4)将逆控制器的k时刻的输出轴向悬浮力给定信号F同时驱动复合被控对象和回归模型，并将复合被控对象的实际轴向位移输出z(k)减去回归模型的输出砂)，得到回归误差= S⑷，用该误差信息在线实时调整回归模型的权值参数^㈨；将复合被控对象的实际轴向位移输出z(k)减去轴向位移给定信号z*(k)，得到控制误差e2 (k) =z (k) -Z* (k)，用该误差信息在线实时调整逆控制器的权值参数W2 (k)； 5)将逆控制器和回归模型相结合构成支持向量机自适应逆控制器，控制复合被控对象。
2.根据权利要求1所述的单自由度主动磁轴承支持向量机自适应逆控制器构造方法，其特征在于，步骤2)中，离线确定回归模型权值参数巧仏)的方法是:将轴向悬浮力信号Fz(k)施加到复合被控对象的输入端,米集复合被控对象不同时刻的输入轴向悬浮力信号Fz(k)、Fz(k-1)，以及其不同时刻的输出轴向位移信号z(k-l)、z(k-2)和z(k-3)作为支持向量机的输入，米集复合被控对象k时刻的输出轴向位移信号z(k)为支持向量机的输出，组成支持向量机的训练样本集{Fz(k), Fz (k-1), z(k-l), z (k_2), z (k_3), z(k)},支持向量机的核函数选为高斯核函数，根据单自由度主动磁轴承实际情况选取合适的正则化参数与核宽度，对支持向量机进行训练，确定支持向量机的向量系数和阈值，从而离线确定回归模型的权值参数W1GO ; 离线确定逆回归模型权值参数W2(k)的方法是:采集复合被控对象k-Ι时刻的输入轴向悬浮力信号Fz (k-Ι)，以及其不同时刻的输出轴向位移信号z (k)、z (k-1)、z (k-2)和z (k-3)作为支持向量机的输入，采集复合被控对象的k时刻的输入轴向悬浮力信号Fz (k)为支持向量机的输出，组成支持向量机的训练样本集{Fz(k-1), z (k), z (k-1), z (k-2),z (k-3)，Fz (k) }，支持向量机的核函数选为高斯核函数，根据单自由度主动磁轴承实际情况选取合适的正则化参数与核宽度，对支持向量机进行训练，确定支持向量机的向量系数和阈值，从而离线确定逆回归模型的权值参数W2(k);其中，Fz (k)、Fz (k-Ι)分别为复合被控对象k时刻和k-Ι时刻的输入轴向悬浮力信号；z (k)、z (k-1)、z (k-2)、z (k-3)分别为复合被控对象k时刻、k-1时刻、k-2时刻和k-3时刻的输出轴向位移信号；k表示当前的采样时刻。
3.根据权利要求1所述的单自由度主动磁轴承支持向量机自适应逆控制器构造方法，其特征在于，步骤4)中，回归模型权值参数W1GO在线实时调整的公式为:
【文档编号】G05B13/04GK103645637SQ201310665706
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】孙晓东, 陈龙, 江浩斌, 杨泽斌, 李可 申请人:江苏大学