一种直线永磁游标电机的解耦控制方法技术

本发明专利技术公开了一种改进回归支持向量机广义逆的直线永磁游标电机的解耦控制方法，根据可逆性原理和Interactor算法证明所控制的直线永磁游标电机系统的可逆性；采样原系统的输入输出，经过数据处理后，作为训练改进回归支持向量机的样本，使用改进回归支持向量机逼近直线永磁游标电机的广义逆系统；将改进回归支持向量机广义逆系统与原非线性系统结合，以构建伪线性系统，实现直线永磁游标电机的d轴电流和初级速度的解耦控制；在伪线性系统的基础上，添加PI控制器，构成闭环系统，提高系统的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种直线永磁游标电机的解耦控制方法
本专利技术涉及直线永磁游标电机领域，具体是一种用于新型直线永磁游标电机的解耦控制方法，适用于轨道交通、船舶推进等高可靠性要求的场所。
技术介绍
伴随城市化的发展，城市轨道交通正在经历突飞猛进的变化,随之而来的是电机牵引系统研究的兴起。近年来，轨道交通系统尤其是其驱动电机在向着重量更轻、体积更小、速度更快、运行更稳定、安全更可靠的模式发展。因此能够稳定、可靠地控制好符合这一特点的直线永磁游标电机成为了保证驱动系统可靠性的关键。附图1中所示的就是本专利技术控制对象的等比例截面图。这是一种新型的高推力密度直线永磁游标电机，尤其适用于轨道交通领域。置于列车侧的电机初级由硅钢冲片叠成的初级铁芯、三相电机绕组和永磁体构成，其中永磁体呈分段结构表嵌于初级齿中。而放置在轨道侧的电机次级仅由带有凸极的硅钢片叠成，结构简单。因此，电机次级具有较高的机械强度，十分适合运行于长行程、大推力工况。相比于传统直线永磁游标电机，这种电机具有一种新型的永磁体整列。一个永磁体阵列具有三个永磁体，它们的充磁方向在图1中用箭头标明。这种永磁体结构能够减少永磁体的用量，缓解齿部端部漏磁严重的问题，进而增加绕组中的反电动势，有效提高了电机的推力密度。另外，该电机能够在低速时利用自身的游标效应产生较大的推力。对于这种多变量、强耦合的非线性系统，已提出了多种解耦控制策略，包括微分几何方法和逆系统方法等。其中，微分几何方法需利用复杂和抽象的数学工具实现系统的动态解耦，物理概念难以直观清晰的表达，不易掌握；而逆系统方法却是一种比较形象直观，不需要高深数学理论知识且易于理解的方法。另外，无论是微分几何方法还是逆系统方法，都依赖于非线性系统精确的数学模型。但是，要想得到非线性系统精确的数学模型十分困难，即使能建模，能求得解析解的例子也不多。在目前的大多数研究中，都是将神经网络与逆系统方法结合起来，构成的神经网络逆系统，不依赖系统的精确模型，能很好的实现原系统的线性化解耦。但是神经网络存在的局部最小值，过学习与欠学习，学习速度慢等缺陷，阻碍了它的发展。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述问题，提出一种基于改进回归支持向量机广义逆的直线永磁游标电机解耦控制，将改进回归支持向量机与逆系统理论相结合，构成改进回归支持向量机广义逆系统，与原系统结合来实现其线性化和解耦。本专利技术利用改进支持向量机拟合非线性系统的广义逆系统，故支持向量机类型为回归型，称为改进回归支持向量机。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：改进回归支持向量机广义逆的直线永磁游标电机的解耦控制方法，包括以下步骤：步骤1：根据可逆性原理和Interactor算法证明所控制的直线永磁游标电机的可逆性，得出相对应的直线永磁游标电机的Jacobi矩阵和广义逆系统表达式；步骤2：施加足够丰富的随机方波信号激励系统，获得足够丰富的训练用数据；根据广义逆系统理论需要计算广义逆系统的输出d轴电流id和初级速度v的广义导数，由此获得的数据集id，(a10+a11s)id，v，sv，(a20+a21s+a22s2)v，其中，a10、a11、a20、a21、a22为传递函数的系数，经归一化后，和激励信号d、q轴电压ud，uq一起，构成改进回归支持向量机的训练样本；步骤3：由于支持向量机的结构决定了它只能是多入单出的结构，则对于直线永磁游标电机调速系统这一多输入多输出系统，需要两个改进回归支持向量机；首先确定改进回归支持向量机的参数结构，根据系统的控制要求，选择核函数、拉格朗日乘子上界C和不敏感损失函数系数ε等参数；然后使用样本在MATLAB平台离线训练，获得相应的输入向量系数α和阀值b，构成直线永磁游标电机的改进回归支持向量机广义逆系统，根据当前的输入X，逼近改进回归支持向量机广义逆系统的输出；步骤4：将获得的改进回归支持向量机广义逆系统与原系统结合，构成伪线性系统，实现原非线性系统的解耦；在Simulink中搭建出伪线性系统，同时通过附加两个PI控制器，实现d轴电流id和初级速度v的闭环，增强系统鲁棒性。进一步，所述步骤1中，直线永磁游标电机的Jacobi矩阵为：式中：Ld、为d轴电感；ψf为永磁磁链幅值；τs为次级极距；M为电机的初级质量；广义逆系统的表达式为：式中，y1、y2分别为直线永磁游标电机的输出id和v。进一步，步骤3中改进回归支持向量机的构建过程为：传统支持向量机的回归问题可以转化为求解下式中的最优化问题：其中，w为函数的广义参数，x、y为训练样本，C为惩罚参数，ξi、ξi*为松弛变量，b为阀值；首先使用连续过松弛方法，在式(1)中加入b2/2,从而消去在二次规划的等式约束项；然后对传统支持相量机模型进行严格凸二次规划处理，把式(1)中的ξi、ξi*变成ξi2、ξi*2的，从而消去了式(1)中ξi、ξi*大于0的约束项和拉格朗日乘子不等式约束的上界条件；式(2)为改进支持向量机的表达式：其中，为一种非线性变换函数，k∈[0,1]可以调制支持向量的数量，C为拉格朗日乘子上界；利用拉格朗日乘子法求解凸二次规划问题，定义拉格朗日函数为：当式(3)中的优化问题满足K.K.T条件时，即这一非线性规划问题存在最优解，通过分别求拉格朗日函数关于各个变量的极值点，获得变量之间其它关系方程，将式(3)的优化问题转化为如下的二次规划最优化问题：其中，K(·)为核函数。对比式(4)和式(1)可以发现优化问题的约束条件有所减少，因此这种改进支持相量机算法是有效的；最终求解得到的决策函数表达式如下：本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术利用改进回归支持向量机来逼近原非线性系统的广义逆系统，具有良好的泛化能力。因为直线永磁游标电机具有宽广的运行范围，所以为了获得良好的训练效果，训练样本的选取通常比较大。而传统支持向量机在大规模训练样本时，存在训练速度过慢的情况，因此本专利技术使用改进支持向量机来做回归估计。改进支持向量机通过减少约束条件的个数来提高算法的训练速度，同时将原始优化问题转化为严格的凸二次规划问题，提高了模型的稳定性。相对传统回归支持向量机，改进回归支持向量机在回归问题中可以获得更好的学习速度、回归精度和稳定性。(2)与传统解耦控制方法相比，本专利技术采用的控制方法能够避免求取直线永磁游标电机的精确数学模型，实现简便，具有广阔的应用背景。另外，避免了神经网络逆系统存在的局部最小值、过学习、欠学习以及学习速率慢等缺陷。(3)本专利技术所提出的一种基于支持向量机广义逆的永磁游标直线电机解耦控制，可以满足城市轨道交通领域高精度运行的要求，提高直线永磁游标电机在轨道交通领域的地位。附图说明图1为直线永磁游标电机等比例截面图；图2为广义伪线性系统框图；图3为直线永磁游标电机闭环系统控制框图；图4为电流环改进回归支持向量机输出与期望值对比；图5为速度环改进回归支持向量机输出与期望值对比；图6为d轴电流和初级速度v的解耦效果。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理本文档来自技高网...

【技术保护点】
改进回归支持向量机广义逆的直线永磁游标电机的解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据可逆性原理和Interactor算法证明所控制的直线永磁游标电机的可逆性，得出相对应的直线永磁游标电机的Jacobi矩阵和广义逆系统表达式；步骤2：施加足够丰富的随机方波信号激励系统，获得足够多的训练用数据；根据广义逆系统理论需要计算广义逆系统的输出d轴电流id和初级速度v的广义导数，由此获得的数据集id，(a10+a11s)id，v，sv，(a20+a21s+a22s2)v，其中，a10、a11、a20、a21、a22为传递函数的系数，经归一化后，和激励信号d、q轴电压ud，uq一起，构成改进回归支持向量机的训练样本；步骤3：由于支持向量机的结构决定了它只能是多入单出的结构，则对于直线永磁游标电机调速系统这一多输入多输出系统，需要两个改进回归支持向量机；首先确定改进回归支持向量机的参数结构，根据系统的控制要求，选择核函数、拉格朗日乘子上界C和不敏感损失函数系数ε和松弛变量ξi、ξi*；然后使用样本在MATLAB平台离线训练，获得相应的输入向量系数α和阀值b，构成直线永磁游标电机的改进回归支持向量机广义逆系统，根据当前的输入X，逼近广义逆系统的输出；步骤4：将获得的改进回归支持向量机广义逆系统与原系统结合，构成伪线性系统，实现原非线性系统的解耦；在Simulink中搭建出伪线性系统，同时通过附加两个PI控制器，实现d轴电流id和初级速度v的闭环，增强系统鲁棒性。...

【技术特征摘要】
1.改进回归支持向量机广义逆的直线永磁游标电机的解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据可逆性原理和Interactor算法证明所控制的直线永磁游标电机的可逆性，得出相对应的直线永磁游标电机的Jacobi矩阵和广义逆系统表达式；步骤2：施加足够丰富的随机方波信号激励系统，获得足够丰富的训练用数据；根据广义逆系统理论需要计算广义逆系统的输出d轴电流id和初级速度v的广义导数，由此获得的数据集id，(a10+a11s)id，v，sv，(a20+a21s+a22s2)v经归一化后，和激励信号d、q轴电压ud，uq一起构成改进回归支持向量机的训练样本，其中，a10、a11、a20、a21、a22为传递函数的系数；步骤3：由于支持向量机的结构决定了它只能是多入单出的结构，则对于直线永磁游标电机调速系统这一多输入多输出系统，需要两个改进回归支持向量机；首先确定改进回归支持向量机的参数结构，根据系统的控制要求，选择核函数、惩罚参数C和不敏感损失函数系数ε和松弛变量ξi、ξi*；然后使用样本在MATLAB平台离线训练，获得相应的输入向量系数α和阀值b，构成直线永磁游标电机的改进回归支持向量机广义逆系统，根据当前的输入，逼近改进回归支持向量机广义逆系统的输出；步骤3中改进回归支持向量机的构建过程为：传统支持向量机的回归问题可以转化为求解下式中的最优化问题：其中，w为函数的广义参数，xi、yi为训练样本，C为惩罚参数，ξi、ξi*为松弛变量，b为阀值；首先使用连续过松弛方法，在式(1)中加入b2/2,从而消去在二次规划的等式约束项；然后对传统支持相量机模型进行严格凸二次规划处理，把式...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓，赵文祥，邱先群，胡德水，潘小云，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32