[發明專利]一種軸向磁軸承控制系統

有效

• 申請號: 201210565225.2
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN103034127A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 張維煜;朱熀秋
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明屬于控制技術領域，具體涉及一種非機械接觸磁懸浮軸承（磁軸承）的控制系統。

背景技術

磁軸承是利用磁場力將轉子懸浮于空間，使其與定子沒有機械接觸的一種新型支承軸承，具有無摩擦、無磨損、無需潤滑和密封，高速度、高精度及壽命長等優點。磁軸承系統主要由磁軸承機械結構和控制系統兩部分組成，其中機械結構影響整個磁軸承系統的工作性能，其相應的控制系統決定了磁軸承系統的動態性能以及剛度、阻尼和穩定性，因此機械結構和控制系統制約著一個完整的磁軸承系統能否可以實現最佳的工作運行情況。由于磁軸承產生的懸浮力具有嚴重的非線性特點，對其懸浮力的穩定控制是需要解決的關鍵問題，為此解決懸浮力的非線性控制問題尤為重要。

軸向磁軸承對轉子軸向定位，能否準確和穩定地進行控制，直接影響到對轉子的軸向位置準確控制，因此研究軸向磁軸承的控制系統具有重要意義。

控制器是控制系統中的核心部件，直接影響整個控制系統性能的優劣，且整個控制系統的控制方法也集中體現于控制器的核心算法。目前工程上多采用PID控制器對磁軸承進行控制，但該方法過分依賴控制對象的模型參數，魯棒性較差，對于軸向磁軸承控制系統這類復雜且極需精密的控制系統，單純采用PID控制器，很難滿足系統精密控制的要求。源于PID控制器，但區別于傳統的PID控制器，分數階PID控制器（PI^λD^μ控制器）是常規的整數階PID控制器的推廣和發展，用分數階數學模型描述的動態系統要比整數階模型所描述的更加精確。由于分數階PID控制器引入了微分階次系數λ和積分階次系數μ，多了兩個可調參數，所以控制器參數的整定范圍變大。

發明內容

本發明的目的是為克服現有磁軸承控制系統的不足而提供一種針對軸向磁軸承的基于模糊整定規則在線調整下的分數階PID控制系統，具有更好的魯棒性、抗干擾性、適應性和更好的控制精度。

為實現上述目的，本發明軸向磁軸承控制系統采用的技術方案是：該控制系統是由模糊控制器、功率放大模塊、樣機本體和位移檢測模塊依次連接構成的閉環系統，模糊控制器由基于模糊正定規則在線調整下的PID分數階控制器和力/電流變換模塊連接組成，位移檢測模塊檢測的軸向位移信號與給定的參考位置信號進行比較，得到偏差e及其變化率e_c，偏差e及其變化率e_c均作為模糊控制器的輸入變量，經基于模糊整定規則在線調整下的PID分數階控制器處理，輸出力信號F_z*至力/電流變換模塊，經力/電流變換模塊輸出電流參考信號i_z*，電流參考信號i_z*經功率放大模塊輸出控制電流i_z，驅動軸向磁軸承樣機本體的軸向控制線圈實現閉環控制。

所述基于模糊整定規則在線調整下的PID分數階控制器處理時，將比例系數K_p、積分系數K_i、微分系數K_d、微分階次系數λ以及積分階次系數μ作為控制量，當偏差e及其變化率e_c較大時，選取的控制量以快速消除偏差為主；當偏差e及其變化率e_c較小時，選取的控制量要防止超調量。

本發明與現有技術相比的有益效果在于：

1、因為分數階PID控制器比整數階PID?控制器多了2個調節自由度λ和μ，使得分數階控制器對對象參數變化不敏感，對非線性有很強的抑制能力，因此當磁軸承模型參數發生變化時，能夠更好地保證系統穩定性，降低軸向磁軸承功耗和生產成本，提高工作性能，更加靈活、穩定地控制。

2、分數階微積分控制器比傳統控制器更加靈活，而微分和積分階次的改變比改變比例、積分和微分的系數更加容易改變系統的頻域響應特性，因此本發明控制系統有更好的魯棒性。