基于dSPACE的混合磁悬浮轴承的LS-SVM逆解耦控制

摘要

随着工业的发展，混合磁悬浮轴承在高速电机、飞轮储能系统等需要高速及超高速的运动系统内得到了较大的应用。然而混合磁悬浮轴承是一个高度非线性系统，其径轴向磁路之间存在耦合，当转子偏离平衡位置时，较难实现精确控制。对此，本文在国家自然基金的资助下，选用最小二乘支持向量机算法(LS-SVM)和模型参考自适应控制(MRAC)来实现混合磁悬浮轴承的解耦控制。在实验部分，笔者设计了基于dSPACE的混合磁悬浮轴承数字控制系统，实现了闭环控制。
　　本文首先对LS-SVM的基本理论做了相关介绍，具体阐述如何利用该算法来实现对非线性系统的辨识，再引入逆系统方法，将其与LS-SVM相结合，形成LS-SVM逆系统，辨识出原系统的逆系统，将其与原系统进行串联构成伪线性系统。最后使用MRAC对该伪线性系统进行复合控制。本文具体阐述了这一复合控制的可行性及具体实现过程。
　　其次，选择三自由度交直流混合磁悬浮轴承(3-DOF-AC/DC-HMB)作为本文的具体研究对象。深入研究3-DOF-AC/DC-HMB的结构，对其进行磁路分析，得出数学模型。对该数学模型进行可逆性分析，确定该系统可逆后采用LS-SVM逆理论对其进行辨识，构造出逆模型，加在原系统之前形成伪线性系统。根据MRAC理论，选择合适的参考模型，并依据稳定性理论设计自适应律并调整可调参数，对该伪线性系统进行复合控制。仿真结果表明LS-SVM逆模型辨识效果好，构成的伪线性系统线性化程度高，复合控制的解耦效果好、动态性能佳。
　　最后，设计了基于dSPACE的3-DOF-AC-DC-HMB数字控制系统。分别设计了主电路和控制电路，加入霍尔电压电流传感器、光电编码器、位移传感器等元器件对整个系统进行数据采集，并将采集的数据反馈至dSPACE和相应的电路中，利用ControlDesk进行实时监测及控制，形成了闭环控制系统。笔者对其进行了半实物实时在线实验，初步得到了预期的结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 混合磁悬浮轴承研究综述

1．1．1 发展现状

1．1．2 特点和种类

1．1．3 研究趋势

1．2 混合磁悬浮轴承控制综述

1．2．1 非线性控制的方法与局限性

1．2．2 智能控制方法

1．2．3 LS-SVM逆系统方法

1．2．4 模型参考自适应方法

1．3 dSPACE实时系统的功能和特点

1．4 主要研究内容及安排

第二章 基于LS-SVM逆的模型参考自适应控制方法

2．1 LS-SVM的基本理论

2．1．1 LS-SVM回归原理

2．1．2 常用核函数

2．2 逆系统线性化解耦控制方法

2．2．1 逆系统与伪线性复合系统

2．2．2 系统可逆性与逆系统构造

2．2．3 逆系统线性化解耦步骤

2．3 模型参考自适应控制

2．3．1 模型参考自适应控制的基本理论

2．3．2 基于Lyapunov稳定性理论设计控制规律

2．4 LS-SVM逆的模型参考自适应控制方法及实现

2．4．1 LS-SVM逆系统原理

2．4．2 LS-SVM逆系统实现

2．4．3 LS-SVM逆复合控制

2．5 本章小结

第三章 三自由度混合磁悬浮轴承的数学模型及LS-SVM逆控制

3．1 三自由度混合磁悬浮轴承的数学模型

3．1．1 三自由度混合磁悬浮轴承结构分析

3．1．2 三自由度混合磁悬浮轴承磁路分析

3．1．3 径轴向悬浮力计算公式

3．2 数学模型可逆性分析

3．3 混合磁悬浮轴承的LS-SVM逆系统构建

3．3．1 输入输出数据的获取

3．3．2 LS-SVM参数的粒子群优化选择

3．4 混合磁悬浮轴承LS-SVM逆的复合控制

3．4．1 伪线性复合系统的设计

3．4．2 模型参考自适应控制器的设计

3．5 本章小结

第四章 基于dSPACE的混合磁悬浮轴承数字控制系统

4．1 dSPACE的软硬件构成

4．1．1 dSPACE软件环境介绍

4．1．2 dSPACE硬件介绍

4．2 dSPACE控制系统的总体设计

4．3 主电路的设计

4．3．1 整流电路

4．3．2 滤波电路

4．3．3 尖峰吸收电路

4．3．4 IPM逆变电路

4．3．5 轴向主电路

4．4 控制电路设计

4．4．1 采样电路

4．4．2 保护电路

4．4．3 CPLD电路

4．4．4 位移检测电路

4．4．5 转速测量电路

4．4．6 LED显示电路

4．5 辅助电源电路设计

4．6 dSPACE实时在线实验

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文完成的主要工作

5．2 需作进一步研究的工作

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文