[發(fā)明專利]基于Smith模型和單神經(jīng)元PID的時滯轉(zhuǎn)子主動平衡控制系統(tǒng)及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810074585.X
• 申請日: 2018-01-25
• 公開（公告）號: CN108267970B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐娟;趙陽;黃經(jīng)坤;徐興鑫;張利
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

本發(fā)明公開了一種基于Smith模型和單神經(jīng)元PID的時滯轉(zhuǎn)子主動平衡控制系統(tǒng)及其方法，是根據(jù)時滯轉(zhuǎn)子的動力學(xué)模型建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的Smith預(yù)估模型，通過Smith預(yù)估控制消除轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的時滯因素影響，通過單神經(jīng)元PID控制器實現(xiàn)控制器參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整并求解得到控制步長，最終實現(xiàn)對時滯轉(zhuǎn)子不平衡的有效控制。本發(fā)明能克服傳統(tǒng)Smith預(yù)估控制方法對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型精度要求高，平衡效率低的缺陷，從而提高控制效率，實現(xiàn)時滯轉(zhuǎn)子主動平衡的高效控制，并且本發(fā)明的控制方法能適用在大時滯條件下。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及具有時滯因素影響的旋轉(zhuǎn)設(shè)備主動平衡控制方法領(lǐng)域，具體為一種基于Smith模型和單神經(jīng)元PID的時滯轉(zhuǎn)子主動平衡控制系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)

目前，旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于工業(yè)上的各個領(lǐng)域。大部分轉(zhuǎn)子由于設(shè)計上的缺陷、材質(zhì)不均勻等原因，使轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏離了幾何中心，從而產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子的不平衡。旋轉(zhuǎn)設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，不平衡會引起旋轉(zhuǎn)設(shè)備撓曲變形，產(chǎn)生較大振動，長期運(yùn)行會降低旋轉(zhuǎn)設(shè)備的使用壽命，甚至?xí)l(fā)重大事故，威脅到工作人員的生命安全。為了避免上述的問題的發(fā)生，減小轉(zhuǎn)子的振動，必須對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡。然而，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的主動平衡控制中不可避免的存在時滯現(xiàn)象，傳感器采集信號的過程，控制器的計算處理過程和作動器的作動過程都會產(chǎn)生時滯。過去人們?yōu)榱撕喕刂品椒ǖ脑O(shè)計，通常忽略時滯因素的影響。但是較小的時滯也會對控制效果產(chǎn)生很大影響甚至造成控制系統(tǒng)的失穩(wěn)。

目前，傳統(tǒng)的Smith控制方法在時滯控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的Smith控制方法對控制模型的精度要求高，太依賴轉(zhuǎn)子的精確模型。當(dāng)實際模型與預(yù)估模型存在較大差異時，控制效果會明顯降低。傳統(tǒng)的Smith模型控制不能夠?qū)崟r進(jìn)行控制參數(shù)的調(diào)整。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以任意逼近線性或非線性的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎所有的常規(guī)非線性與不確定系統(tǒng)的控制，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于智能控制系統(tǒng)中。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，權(quán)值訓(xùn)練的時間較長，不利于實時控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種基于Smith模型和單神經(jīng)元PID的時滯轉(zhuǎn)子主動平衡控制系統(tǒng)及其方法，以期能克服傳統(tǒng)Smith控制對系統(tǒng)模型精度要求高和平衡效率低的缺陷，從而提高控制效率，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子主動平衡的高效控制，并且該控制方法能適用在大時滯的條件下。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種基于Smith模型和單神經(jīng)元PID的時滯轉(zhuǎn)子主動平衡控制系統(tǒng)，是應(yīng)用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，其特點是，所述時滯轉(zhuǎn)子主動平衡控制系統(tǒng)包括：平衡頭、振動傳感器、Smith預(yù)估器、單神經(jīng)元PID控制器和處理器；

所述振動傳感器在采樣時刻k獲得所述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動信號y(k)并傳遞給所述處理器；所述處理器在采樣時刻k接收所述Smith預(yù)估器的輸出信號x(k)并與所述振動信號y(k)進(jìn)行比較得到差值e_m(k)；

所述處理器在采樣時刻k將所述差值e_m(k)與設(shè)定的預(yù)期振動量r進(jìn)行比較，得到差值r_m(k)；

所述處理器在采樣時刻k接收所述Smith預(yù)估器不含時滯的輸出信號x_m(k)并與差值r_m(k)進(jìn)行比較，得到振幅差值e(k)；

所述處理器將所述振幅差值e(k)輸入所述單神經(jīng)元PID控制器中；

所述單神經(jīng)元PID控制器對所述振幅差值e(k)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換處理，得到三個輸入信號x_i(k)，i＝1,2,3，再根據(jù)所述三個輸入信號x_i(k)，利用學(xué)習(xí)規(guī)則得到三個權(quán)值W_i(k)，從而根據(jù)所述三個輸入信號x_i(k)和三個權(quán)值W_i(k)的平均值得到輸出步長u(k)；

所述處理器根據(jù)所述輸出步長u(k)對所述平衡頭進(jìn)行控制，從而利用所述平衡頭實現(xiàn)時滯轉(zhuǎn)子的主動平衡控制。