基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模糊自整定单神经元PID控制系统及其方法，是利用模糊控制器计算单神经元PID控制器所需要的增益K，在单神经元PID控制器获得增益K后，通过单神经元PID控制器求解得到控制步长，最终实现对转子不平衡的有效控制。本发明专利技术能克服传统PID控制方法平衡效率低，平衡精度不高的缺陷，从而提高控制效率，实现对平衡头的高效控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及旋转设备动平衡控制方法领域，具体为一种基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制系统及其方法。
技术介绍
目前，旋转机械大量应用于工业的各个方面，由于转子不平衡原因使旋转机械产生振动，严重的可能损坏机械，造成工程上不必要的损失。为了减少这些不必要的损失，降低转子的振动，必须对转子进行动平衡。目前，传统PID控制方法在旋转机械平衡控制中广泛应用。但是，传统PID控制方法平衡效率与平衡精度不高，并且传统PID控制器的设计需要事先多次试验才能确定控制参数。人工神经网络可以任意逼近线性或非线性系统，能够实现几乎所有的常规非线性与不确定系统的控制，因此被广泛应用于智能控制系统中。但神经网络结构复杂，权值训练的时间较长，不利于实时控制。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术存在的不足之处，提供一种基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制系统及其方法，以期能克服传统PID控制方法平衡效率低，平衡精度不高的缺陷，从而提高控制效率，实现对平衡头的高效控制。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术一种基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制系统的特点包括：转子系统、平衡头、振动传感器、模糊控制器、单神经元PID控制器、处理器；所述振动传感器采集所述转子系统在第k次循环下的振动值y(k)并传递给所述处理器，所述处理器将所接收到的振动信号y(k)与所设定的目标值进行比较，得到第k次循环下的差值e(k)作为所述模糊控制器的一个输入值；所述处理器对所述差值e(k)进行微分计算，得到所述差值e(k)的变化率作为所述模糊控制器的另一个输入值后，由所述模糊控制器进行模糊处理得到第k次循环下的增益K(k)；k≥1；所述处理器根据所述差值e(k)计算得到第k次循环下所述单神经元PID控制器的输入信号xi(k)；i＝1,2,3；所述单神经元PID控制器根据所述输入信号xi(k)，利用改进的有监督的Hebb算法分别得到第k次循环下所述输入信号xi(k)的权值Wi(k)并输出；所述处理器根据所述输入信号xi(k)、增益K(k)和权值Wi(k)计算得到第k次循环下的控制步长u(k)并传递给所述平衡头，从而利用所述平衡头控制所述转子系统以实现转子动平衡。本专利技术一种基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制方法的特点是应用于由转子系统、平衡头、振动传感器、模糊控制器、单神经元PID控制器所组成的控制系统中，并按如下步骤进行：步骤1、利用振动传感器采集第k次循环下转子系统的振动值y(k)，并与所设定的目标值进行比较，若振动值y(k)大于所述目标值，则计算第k次循环下的差值e(k)，并执行步骤2；否则，表示所述转子系统满足转子动平衡；步骤2、对所述差值e(k)进行微分计算，得到所述差值e(k)的变化率；步骤3、利用模糊控制器对所述差值e(k)和差值e(k)的变化率进行模糊化、模糊推理和去模糊化处理，得到第k次循环下的增益K(k)；步骤4、利用式(1)获得第k次循环下所述单神经元PID控制器的三个输入信号x1(k)、x2(k)和x3(k)：式(1)中，当k＝1时，e(k-1)和e(k-2)均为0；当k＝2时，e(k-2)为0；步骤5、利用式(2)所示的改进的有监督的Hebb算法得到第i个输入信号的权值Wi(k)i＝1,2,3；Wi(k)＝Wi(k-1)+ηie(k-1)u(k-1)xi(k-1)(2)式(2)中，ηi表示第i个输入信号的学习效率；u(k-1)表示第k-1次循环下的控制步长，当k＝1时，Wi(k-1)为初始给定权值，u(k-1)＝0，e(k-1)＝0；步骤6、利用式(3)得到第k次循环下的控制步长u(k)：式(3)中，表示第i个输入信号权值的平均值；并有：步骤7、所述平衡头根据控制步长u(k)对所述转子系统进行动控制；步骤8、将k+1赋值给k，并返回步骤1。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用模糊自整定单神经元PID控制方法，与传统的PID控制方法相比，基于模糊自整定单神经元PID控制方法响应速度快，超调量和振荡次数明显减少，具有很好的鲁棒性和稳定性，从而使得转子系统的平衡时间缩短，控制效率提高，且提高了平衡精度。2、本专利技术在单神经元PID控制的基础上，引入模糊控制技术，通过定义模糊变量、设计隶属度函数得到单神经元PID控制的增益K(k)，通过增益K(k)的可变控制，提高了控制效率，从而求解得到精确的输出步长，实现了对平衡头的高效控制。3、本专利技术将单神经元技术与传统PID控制结合使得PID的控制参数可以自适应调整，与传统PID控制相比，改善了传统PID控制器的参数固定缺陷，通过参数的自适应调整，提高了转子系统的控制效率。4、当转子系统中出现干扰信号后，本专利技术采用模糊自整定单神经元PID控制方法，与传统的PID控制方法相比，转子系统能最快的达到稳定状态，所以该专利技术方法具有很好的稳定性和鲁棒性。附图说明图1为本专利技术的基于模糊自整定单神经元PID控制方法原理图；图2为本专利技术方法的控制算法流程图；图3为本专利技术的实验架构图；图4a为本专利技术方法与传统PID和单神经元PID控制方法的MATLAB仿真幅值变化对比图；图4b为加入干扰信号后幅值变化对比图；图5a为本专利技术方法与传统PID方法对动平衡控制重复实验减振时间对比结果图；图5b为重复实验减振效果对比结果图。具体实施方式本实施例中，一种基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制系统，包括：转子系统、平衡头、振动传感器、模糊控制器、单神经元PID控制器、处理器；如图1所示，本方法的控制原理如下：振动传感器采集转子系统在第k次循环下的振动值y(k)并传递给处理器，处理器将所接收到的振动信号y(k)与所设定的目标值进行比较，得到第k次循环下的差值e(k)作为模糊控制器的一个输入值；处理器对差值e(k)进行微分计算，得到差值e(k)的变化率作为模糊控制器的另一个输入值后，由模糊控制器进行模糊处理得到第k次循环下的增益K(k)；k≥1；其中，模糊处理的具体步骤如下：1.将模糊控制器的输入量差值e(k)，差值e(k)的变化率和输出量增益K(k)进行标定，将其指定到某一区间范围内，采用对称方式将输入量和输出量进行分级。2.设置输入量差值e(k)、差值e(k)变化率和输出量K的隶属度函数。3.根据模糊控制器的模糊规则，模糊推理得到增益K(k)的模糊值。4.采用质心法进行去模糊化操作，得到增益K(k)的精确输出。处理器根据差值e(k)计算得到第k次循环下单神经元PID控制器的输入信号xi(k)；i＝1,2,3；单神经元PID控制器根据输入信号xi(k)，利用改进的有监督的Hebb算法分别得到第k次循环下输入信号xi(k)的权值Wi(k)并输出；处理器根据输入信号xi(k)、增益K(k)和权值Wi(k)计算得到第k次循环下的控制步长u(k)并传递给平衡头，从而利用平衡头控制转子系统以实现转子动平衡，具体的说，是利用平衡头中质量块转动角度，通过调整质量块的转动角度以实现转子动平衡。本实施例中，一种基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制方法，应用于由转子系统、平衡头、振动传感器、模糊控制器、单神经元PID控制器所组成的控制系统中，如图2所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制系统，其特征包括：转子系统、平衡头、振动传感器、模糊控制器、单神经元PID控制器、处理器；所述振动传感器采集所述转子系统在第k次循环下的振动值y(k)并传递给所述处理器，所述处理器将所接收到的振动信号y(k)与所设定的目标值进行比较，得到第k次循环下的差值e(k)作为所述模糊控制器的一个输入值；所述处理器对所述差值e(k)进行微分计算，得到所述差值e(k)的变化率作为所述模糊控制器的另一个输入值后，由所述模糊控制器进行模糊处理得到第k次循环下的增益K(k)；k≥1；所述处理器根据所述差值e(k)计算得到第k次循环下所述单神经元PID控制器的输入信号xi(k)；i＝1,2,3；所述单神经元PID控制器根据所述输入信号xi(k)，利用改进的有监督的Hebb算法分别得到第k次循环下所述输入信号xi(k)的权值Wi(k)并输出；所述处理器根据所述输入信号xi(k)、增益K(k)和权值Wi(k)计算得到第k次循环下的控制步长u(k)并传递给所述平衡头，从而利用所述平衡头控制所述转子系统以实现转子动平衡。

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制系统，其特征包括：转子系统、平衡头、振动传感器、模糊控制器、单神经元PID控制器、处理器；所述振动传感器采集所述转子系统在第k次循环下的振动值y(k)并传递给所述处理器，所述处理器将所接收到的振动信号y(k)与所设定的目标值进行比较，得到第k次循环下的差值e(k)作为所述模糊控制器的一个输入值；所述处理器对所述差值e(k)进行微分计算，得到所述差值e(k)的变化率作为所述模糊控制器的另一个输入值后，由所述模糊控制器进行模糊处理得到第k次循环下的增益K(k)；k≥1；所述处理器根据所述差值e(k)计算得到第k次循环下所述单神经元PID控制器的输入信号xi(k)；i＝1,2,3；所述单神经元PID控制器根据所述输入信号xi(k)，利用改进的有监督的Hebb算法分别得到第k次循环下所述输入信号xi(k)的权值Wi(k)并输出；所述处理器根据所述输入信号xi(k)、增益K(k)和权值Wi(k)计算得到第k次循环下的控制步长u(k)并传递给所述平衡头，从而利用所述平衡头控制所述转子系统以实现转子动平衡。2.一种基于模糊自整定单神经元PID控制的转子动平衡控制方法，其特征是应用于由转子系统、平衡头、振动传感器、模糊控制器、单神经元PID控制器所组成的控制系统中，并按如下步骤进行：步骤1、利用振动传感器采集第k次循环下转子系统的振动值y(k)，并与所设定的目标值进行比较，若振动值y(k)大于所述目标值，则计算第k次循环下的差值e(k)，并执行步骤2；否则...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐娟，赵阳，黄经坤，石雷，罗磊，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34