[发明专利]一种基于动态偏置电流的磁悬浮轴承节能控制方法

说明书

本发明公开一种基于动态偏置电流的磁悬浮轴承节能控制方法，属于磁悬浮电机控制技术领域，包括以下步骤：建立非线性电磁轴承系统模型；建立障碍李雅普诺夫函数构造自适应反演控制器；利用自适应差分进化算法计算偏置电流；建立适应度函数，设计定位性能和节能性能的权衡算法；利用转子位置观测器对不同偏置电流评估，测试未成熟的候选偏置电流，输出控制电流和偏置电流，使磁轴承节能稳定运行。

技术领域

本发明属于磁悬浮电机控制技术领域，尤其涉及一种基于动态偏置电流的磁悬浮轴承节能控制方法。

背景技术

主动磁轴承(AMB)是一种特殊类型的轴承，它利用电磁力支持和调节转子到预定的位置。这种轴承的独有特性，如非接触和低摩擦，使电磁轴承适合在一些特殊环境中使用，如高转速、真空和生物医学环境等。此外，根据控制施加的电流，刚度，阻尼，和负载可动态调节和设置AMB的容量，使其能在不同的工况下工作。因此，AMB已被广泛用于克服传统轴颈或球轴承在各种工业应用中，如压缩机，主轴，高速电机和涡轮发动机。

在许多应用中，磁悬浮轴承的转子必须精确定位或移动，以满足不同的运行需求和功能；因此，产生了许多关于AMB转子位置调节的方法。大多数AMB控制方案为使用恒偏置电流和叠加的可变控制电流来线性化控制电流与电磁力之间的关系。虽然偏置电流可以改善AMB的线性和动态性能，但即使不需要施加力，也会存在一些功率损耗。对于高速旋转的机械，这些损失可能进一步导致转子过热和机器效率低下。此外，由于AMB所经历的主要功率损耗，如电气设备中的欧姆损耗、涡流损耗、迟滞损耗等电路损耗都是施加线圈电流的作用，适当控制偏置电流可以降低功率损耗。然而，降低或消除偏置电流可能会增强磁悬浮系统的非线性，导致控制奇异性。

目前确定可变偏置电流的方法可分为自适应控制方法和开关控制方法两大类。由于两种方法的设计都很大程度上依赖于动态模型和系统参数，因此参数的变化、外部干扰和未知不确定性都很容易影响控制性能并降低系统的能量效率。

转子位置控制作为磁悬浮系统的关键和基本问题，是通过接通和改变电磁铁线圈的控制电流，产生并调节磁悬浮力，使AMB保持在所需的悬浮位置。众所周知，由于电磁力与气隙长度的并非比例关系，电磁轴承是一个本质上不稳定的系统。此外，外部干扰也会使转子偏离其平衡点。因此，为了稳定和调节转子位置，扩展了多种控制方法。比例-积分-微分控制器被广泛应用，特别是在许多工业应用案例中受益于调优和实现的简单性。然而，缺乏对外部干扰和系统不确定性的鲁棒性加速了其他先进控制器的开发，例如利用H∞方案的设计综合控制器，由状态反馈调节器和扩展卡尔曼滤波器组成的线性二次高斯控制器，等等。然而，这些控制方法要么只考虑线性磁悬浮系统，要么要求建立线性化的磁悬浮系统的精确解析模型，而由于其动态不确定性，获取这些参数变化和系统模型具有挑战性。

尽管AMB有着众多相较于机械轴承的优越性能，其节能性能和定位性能应得到进一步的优化，因此在保证AMB系统的定位性能的同时，还需要降低系统能耗。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种在保证AMB系统定位性能的前提下减小系统能耗的磁轴承控制方法。

本发明的目的是这样实现的：基于动态偏置电流的磁悬浮轴承节能控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立非线性电磁轴承系统模型；

步骤2：基于障碍李雅普诺夫函数构造自适应反演控制器；

步骤3：利用自适应差分进化算法计算偏置电流；

步骤4：建立适应度函数，设计定位性能和节能性能的权衡算法；

步骤5：利用转子位置观测器对不同偏置电流评估，测试未成熟的候选偏置电流，输出控制电流和偏置电流，使磁轴承节能稳定运行。

进一步地，所述步骤1中，所述建立非线性电磁轴承系统模型步骤如下：