[发明专利]一种基于神经网络的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法

权利要求书

1.一种基于神经网络的风电磁悬浮偏航系统悬浮控制方法，所述风电磁悬浮偏航系统包括悬浮系统和控制系统，所述悬浮系统由悬浮电磁铁、气隙传感器、悬浮架和风电机组的机舱组成，所述悬浮电磁铁包括铁芯 和绕组，所述绕组为直流励磁绕组；所述控制系统由悬浮变流器及其悬浮控制器组成，所述悬浮变流器与所述直流励磁绕组连接，所述悬浮控制器包括外环PID控制器和内环PID控制器；所述悬浮电磁铁、悬浮架、风电机组的机舱统称为悬浮物；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，当需要偏航时，由所述悬浮控制器采用PID控制算法控制所述悬浮电磁铁的励磁电流I_f(t)，进而依据磁悬浮偏航系统的悬浮动态数学模型，控制其产生的悬浮力，使所述悬浮物向上悬浮至并保持在悬浮平衡点处实现稳定悬浮；将此时稳态情况下的所述外环PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数记为k_p0、k_i0、k_d0；

步骤2，在悬浮期间，所述悬浮控制器的外环PID控制器改用含量化因子的神经网络控制策略，求得当前时刻所述外环PID控制器的比例系数的调节量Δk_p(k)、积分系数的调节量Δk_i(k)和微分系数的调节量Δk_d(k)，k为当前时刻；具体方法是：

21)确定所述神经网络的层数：所述神经网络包括1个输入层、1个隐含层、1个输出层，其中，所述输入层有3个输入向量x_j(k)，j＝1,2,3，分别是悬浮平衡点处的悬浮气隙参考值δ_ref、当前时刻悬浮气隙测量值δ(k)以及它们之间的偏差值e(k)＝δ_ref－δ(k)，即令x₁(k)＝δ_ref，x₂(k)＝δ(k)，x₃(k)＝e(k)；所述隐含层有5个神经元；所述输出层有3个神经元；

22)进行所述神经网络的前馈计算，获得所述隐含层的输出和所述输出层的输出：

所述隐含层的第i个神经元(i＝1,2,3,4,5)当前时刻的输入s_i、输出O_i²(k)分别为：

式中，w_ij²(k)是当前时刻所述输入层的第j个神经元与所述隐含层的第i个神经元之间的连接权重系数，f₁(·)为隐含层的激励函数，采用双曲正切函数tanh；

所述输出层的第l个神经元(l＝1,2,3)当前时刻的输入s_l、输出O_l³(k)分别为：

式中，w_li³(k)是当前时刻所述隐含层的第i个神经元和所述输出层的第l个神经元之间的连接权重系数，f₂(·)为所述输出层的激励函数，采用Sigmoid函数；

23)对所述输出层的输出进行量化操作，即：将所述输出层的输出分别与各自的量化因子相乘，获得所述外环PID控制器的比例系数调节量Δk_p(k)、积分系数调节量Δk_i(k)和微分系数的调节量Δk_d(k)，具体是：

将所述输出层的第l个神经元(l＝1,2,3)当前时刻的输出O_l³(k)乘以其量化因子σ_l，得到所述神经网络的输出y_l(k)，有：

则可得到：

式中，σ₁、σ₂、σ₃分别表示所述输出层的第1、2、3个神经元的输出节点所连接的量化因子；

步骤3，根据步骤1及步骤2得到的k_p0、k_i0、k_d0和Δk_p(k)、Δk_i(k)、Δk_d(k)，求得当前时刻所述外环PID控制器的输出y(k)为：

步骤4，将步骤3得到的y(k)作为所述悬浮电磁铁的励磁电流的参考值I_fref(k)，然后将此I_fref(k)与实际励磁电流I_f(k)作差，经所述内环PID控制器，送入PWM模块，产生驱动信号，控制所述悬浮变流器的输出电压，即施加于所述直流励磁绕组的电压，从而依据磁悬浮偏航系统的悬浮动态数学模型，针对各种不确定随机干扰实时在线调整励磁电流I_f(k)，进而改变悬浮力，实现磁悬浮偏航系统的稳定悬浮；

步骤5，选择系统误差的性能指标为：

将当前时刻的悬浮气隙测量值δ(k)带入式(1)，计算当前时刻的所述系统误差性能指标E(k)，并与给定的最小误差性能指标E_min作比较：如果E(k)≤E_min，则所述神经网络的连接权重系数w_ij²(k)及w_li³(k)保持不变，重复步骤5；否则进入步骤6，对所述连接权重系数w_ij²(k)及w_li³(k)进行调整修正；

步骤6，基于所述系统误差的性能指标E(k)，通过误差的反向传递来修正所述神经网络的连接权重系数，具体过程如下：

根据梯度下降算法，并考虑使所述神经网络的收敛速度加快，所述输出层第l个神经元的(k+1)时刻的连接权重系数w_li³(k+1)按下式调整为：

式中，η_l³、α_l³分别是所述输出层第l个神经元的学习速率和惯性系数，为所述输出层的连接权重系数的修正项，令：

同样，根据梯度下降算法，并考虑使所述神经网络的收敛速度加快，所述隐含层第i个神经元的(k+1)时刻的连接权重系数w_ij²(k+1)按下式调整为：

式中，η_i²和α_i²分别是所述隐含层第i个神经元的学习速率和惯性系数，为所述隐含层的连接权重系数的修正项，令：

返回步骤2。