五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统，包括五个优化自抗扰控制器和五个位移传感器，五个优化自抗扰控制器仅是输入和输出不同，每个优化自抗扰控制器均由跟踪微分器、张状态观测器、非线性反馈控制律、最小二乘支持向量机、第一补偿因子以及第二补偿因子组成，利用最小二乘支持向量机对扩张状态观测器进行优化，利用优化的扩张状态观测器对系统总扰动进行估计并补偿，对五自由度磁悬浮电主轴中的两个混合磁轴承径向两个自由度分别做到精确解耦控制，将非理想情况下多输入多输出的强耦合、非线性系统解耦成多输入和多输出的无耦合线性系统，减轻扩张状态观测器的负担，提高观测精度。

【技术实现步骤摘要】
五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统
本专利技术属于电力传动控制设备
，具体涉及五自由度磁悬浮电主轴的自抗扰解耦控制系统，适用于多变量、非线性、强耦合的五自由度电磁悬浮主轴的解耦控制。
技术介绍
五自由度磁悬浮电主轴是一种由三自由度混合磁轴承和二自由度混合磁轴承共同支撑的电主轴，通过磁轴承产生电磁力将转子稳定悬浮于空中，使转子与定子之间不存在任何机械摩擦，因此具有无磨损、无需润滑、无噪音、超高速以及高精度等优点。由于三自由度混合磁轴承和二自由度混合磁轴承的转子径向位移均由逆变器驱动，不可避免地会引起径向磁通产生很强的耦合性，因此需要通过高效的解耦措施来实现轴承的高速、高精度稳定运行。目前针对磁悬浮电主轴的解耦控制方法有近似线性化解耦控制方法、微分几何反馈线性化解耦控制方法、逆系统解耦控制方法及各种方法的综合应用等。使用自抗扰解耦控制的思想是分别将五自由度磁悬浮电主轴的三自由度混合磁轴承和二自由度混合磁轴承各自径向之间的相互耦合作用看作系统内部扰动，利用自抗扰控制器中的扩张状态观测器对内部扰动进行估计并补偿，使得磁轴承各个自由度实现线性化，从而实现精确解耦的效果。然而仅仅利用扩张状态观测器对扰动进行估计会因为观测精度不高而无法最大化提升控制器的控制性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对传统磁悬浮电主轴自抗扰控制器中扩张状态观测器观测负载大、观测精度不高等问题而提出一种五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统，利用最小二乘支持向量机良好的预测能力对系统部分扰动进行预测并与扩张状态观测器观测到的扰动作为总扰动一同进行补偿，扩张状态观测器就不需要观测系统的全部扰动，以减轻扩张状态观测器的观测负担，提高控制系统的观测精度从而提升控制性能。本专利技术五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统所采用的技术方案是：其包括五个优化自抗扰控制器和五个位移传感器，其中的五个位移传感器各自检测三自由度混合磁轴承和二自由度混合磁轴承的一个位移量，其中的第一、第二、第三优化自抗扰控制器均连接包含有三自由度混合磁轴承的三自由度复合被控对象，第四、第五优化自抗扰控制器均连接包含有二自由度混合磁轴承的二自由度复合被控对象；五个优化自抗扰控制器仅是输入和输出不同，每个优化自抗扰控制器均由跟踪微分器、张状态观测器、非线性反馈控制律、最小二乘支持向量机、第一补偿因子以及第二补偿因子组成；第一个优化自抗扰控制器中的跟踪微分器的输入是给定位移xa*，输出的是所给定位移xa*的跟踪信号va1x以及微分信号va2x；扩张状态观测器的第一个输入是位移传感器检测到的位移量xa，输出的是所位移量xa的跟踪信号za1x以及微分信号za2x和观测扰动za3x，扩张状态观测器输出的跟踪信号za1x以及微分信号za2x输入到最小二乘支持向量机中，最小二乘支持向量机预测出一个系统的预测扰动fax，预测扰动fax与观测扰动za3x相加后作为第一补偿因子的输入，经第一补偿因子作用后与非线性反馈控制律输出的反馈控制量ua0x相减得到补偿后的控制量uax，该补偿后的控制量uax为控制电流期望值iax*且输入到三自由度复合被控对象中，跟踪信号va1x和跟踪信号za1x作差得到系统状态误差ea1x＝va1x-za1x，微分信号va2x和微分信号za2x作差得到系统状态误差ea2x＝va2x-za2x，两种系统状态误差ea1x，ea2x作为非线性反馈控制律的输入，非线性反馈控制律输出的是所述的反馈控制量ua0x以及所述的补偿后的控制量uax。本专利技术的优点在于：(1)采用五个自抗扰控制器对五自由度磁悬浮电主轴进行解耦控制，不需要精确的数学模型，具有超调小、响应快、抗干扰能力强等特点，在很大程度上提高了系统的稳定性。(2)利用最小二乘支持向量机对自抗扰控制器中的扩张状态观测器进行优化，减轻扩张状态观测器的负担，提高观测精度，进一步提升了系统动态响应速度。(3)利用最小二乘支持向量机良好的预测能力对自抗扰控制器进行优化来，利用优化的扩张状态观测器对系统总扰动进行估计并补偿，可以对五自由度磁悬浮电主轴中的两个混合磁轴承径向两个自由度分别做到精确解耦控制，将非理想情况下的多输入多输出的强耦合、非线性系统解耦成多输入和多输出的无耦合线性系统。(4)最小二乘支持向量机预估能力优于其他智能算法，具有较好的泛化能力，而且训练速度也较快。附图说明图1是五自由度磁悬浮电主轴的结构示意图；图2是本专利技术五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统的控制结构框图；图3是图2中三自由度复合被控对象的等效结构框图；图4是图2中二自由度复合被控对象的等效结构框图；图5是图2中第一优化自抗扰控制器的控制结构框图；图6是图2中去掉第一非线性反馈控制律后的普通自抗扰控制器的控制结构框图。图中：3.高速电机；4.套筒；5.转轴；6、7.径向位移传感器；8.轴向位移传感器；9、10.辅助轴承；11、12.端盖；13.Clark逆变换；14.电流跟踪型逆变器；15.三自由度混合磁轴承；16.轴向功率放大器；17.三自由度复合被控对象；18.Clark逆变换；19.电流跟踪型逆变器；20.二自由度混合磁轴承；21.二自由度复合被控对象；22.第一优化自抗扰控制器；23.第二优化自抗扰控制器；24.第三优化自抗扰控制器；25.第四优化自抗扰控制器；26.第五优化自抗扰控制器；27.第一位移传感器；28.第二位移传感器；29.第三位移传感器；30.第四位移传感器；31.第五位移传感器；221.第一跟踪微分器；222.第一扩张状态观测器；223.第一非线性反馈控制律；224.第一最小二乘支持向量机；225.第一补偿因子；226.第二补偿因子。具体实施方式如图1所示，五自由度磁悬浮电主轴主要由一个三自由度混合磁轴承15、一个二自由度混合磁轴承20和高速电机3构成；三自由度混合磁轴承15、二自由度混合磁轴承20和高速电机3均同轴心地装在套筒4中，三自由度混合磁轴承15和二自由度混合磁轴承20和高速电机3共用一个转轴5，转轴5两端分别由辅助轴承9、10支撑。辅助轴承9、10分别固定在端盖11、12上；径向位移传感器6、7分别固定在三自由度混合磁轴承15和二自由度混合磁轴承20的两侧，测量转子径向位移。轴向位移传感器8固定在端盖12上，并处于转轴5的轴心线上，测量转子轴向位移。如图2所示，由于需要对电主轴五个自由度进行控制，故需要五个优化自抗扰控制器组成一个完整的控制系统，因此，本专利技术五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统由五个优化自抗扰控制器和五个位移传感器组成，其中，五个优化自抗扰控制器的结构相同，分别是第一优化自抗扰控制器22、第二优化自抗扰控制器23、第三优化自抗扰控制器24、第四优化自抗扰控制器25和第五优化自抗扰控制器26。五个位移传感器的结构相同，分别是第一位移传感器27、第二位移传感器28、第三位移传感器29、第四位移传感器30和第五位移传感器31。第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统，其特征是：包括五个优化自抗扰控制器和五个位移传感器，其中的五个位移传感器各自检测三自由度混合磁轴承和二自由度混合磁轴承的一个位移量，其中的第一、第二、第三优化自抗扰控制器均连接包含有三自由度混合磁轴承的三自由度复合被控对象，第四、第五优化自抗扰控制器均连接包含有二自由度混合磁轴承的二自由度复合被控对象；五个优化自抗扰控制器仅是输入和输出不同，每个优化自抗扰控制器均由跟踪微分器、张状态观测器、非线性反馈控制律、最小二乘支持向量机、第一补偿因子以及第二补偿因子组成；第一个优化自抗扰控制器中的跟踪微分器的输入是给定位移x

【技术特征摘要】
1.一种五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统，其特征是：包括五个优化自抗扰控制器和五个位移传感器，其中的五个位移传感器各自检测三自由度混合磁轴承和二自由度混合磁轴承的一个位移量，其中的第一、第二、第三优化自抗扰控制器均连接包含有三自由度混合磁轴承的三自由度复合被控对象，第四、第五优化自抗扰控制器均连接包含有二自由度混合磁轴承的二自由度复合被控对象；五个优化自抗扰控制器仅是输入和输出不同，每个优化自抗扰控制器均由跟踪微分器、张状态观测器、非线性反馈控制律、最小二乘支持向量机、第一补偿因子以及第二补偿因子组成；第一个优化自抗扰控制器中的跟踪微分器的输入是给定位移xa*，输出的是所给定位移xa*的跟踪信号va1x以及微分信号va2x；扩张状态观测器的第一个输入是位移传感器检测到的位移量xa，输出的是所位移量xa的跟踪信号za1x以及微分信号za2x和观测扰动za3x，扩张状态观测器输出的跟踪信号za1x以及微分信号za2x输入到最小二乘支持向量机中，最小二乘支持向量机预测出一个系统的预测扰动fax，预测扰动fax与观测扰动za3x相加后作为第一补偿因子的输入，经第一补偿因子作用后与非线性反馈控制律输出的反馈控制量ua0x相减得到补偿后的控制量uax，该补偿后的控制量uax为控制电流期望值iax*且输入到三自由度复合被控对象中，跟踪信号va1x和跟踪信号za1x作差得到系统状态误差ea1x＝va1x-za1x，微分信号va2x和微分信号za2x作差得到系统状态误差ea2x＝va2x-za2x，两种系统状态误差ea1x，ea2x作为非线性反馈控制律的输入，非线性反馈控制律输出的是所述的反馈控制量ua0x以及所述的补偿后的控制量uax。


2.根据权利要求1所述的五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统，其特征是：第一个优化自抗扰控制器中的最小二乘支持向量机将跟踪信号za1x以及微分信号za2x和作为训练样本输入，观测扰动za3x作为训练样本输出，设置采样间隔0.1ms，采样时间0.4s，选取200组训练样本集和200组测试样本集并做归一化处理，设定好正则化参数和径向基核函数核ζ，对200组训练样本集进行训练得到支持向量和阈值从而确定回归模型。


3.根据权利要求1所述的五自由度磁悬浮电主轴最小二乘支持向量机优化控制系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱熀秋，张浩，吴梦瑶，孙静波，刘钙，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32