本發(fā)明涉及磁懸浮軸承控制，特別是指一種磁懸浮軸承pid控制器構(gòu)造方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、作為一個(gè)世界工業(yè)大國(guó)，隨著在航空航天、交通、機(jī)械制造、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備正朝著高速化、智能化、高精度等方向發(fā)展，而支承單元的性能至關(guān)重要，直接決定了設(shè)備的可靠性以及長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。而傳統(tǒng)的機(jī)械軸承不可避免的會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損、散熱效率低、潤(rùn)滑油污染等問(wèn)題使機(jī)械軸承性能惡化，而高精度和高穩(wěn)定性的磁懸浮軸承系統(tǒng)越來(lái)越多地被用于各種高端機(jī)械設(shè)備中，例如高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和精密測(cè)量設(shè)備。磁懸浮軸承的控制技術(shù)是保證這些系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的控制方法如pid控制雖然在許多工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出色，但在處理非線性系統(tǒng)和參數(shù)不確定性方面存在一定局限性。

2、在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中，由于磁懸浮軸承系統(tǒng)懸浮間隙小、非線性、耦合嚴(yán)重等原因磁懸浮軸承的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的建立較為困難，且開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)控制難度較高，也是因此雖然近些年來(lái)對(duì)磁懸浮控制的研究有所進(jìn)展，卻依然不能滿足大規(guī)模工程應(yīng)用的需要。物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(pinn)作為一種結(jié)合了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與物理模型的新興技術(shù)，通過(guò)在訓(xùn)練過(guò)程中引入物理定律作為額外的約束，能夠提高模型的預(yù)測(cè)精度和泛化能力。然而，即便是pinn，在面對(duì)極端工況變化和嚴(yán)重的環(huán)境干擾時(shí)，仍可能因模型參數(shù)不適應(yīng)這些變化而導(dǎo)致控制性能下降。此外，盡管現(xiàn)有的pinn應(yīng)用在一些領(lǐng)域顯示了潛力，它們?cè)诖艖腋≥S承控制方面的研究仍然不足，特別是在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)快速變化時(shí)pid控制參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整問(wèn)題上，缺乏有效的解決策略，在各種復(fù)雜工況下系統(tǒng)的高性能和穩(wěn)定性難以保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種磁懸浮軸承pid控制器構(gòu)造方法和系統(tǒng)。所述技術(shù)方案如下：

2、一方面，提供了一種磁懸浮軸承pid控制器構(gòu)造方法，所述方法包括：基于磁路安培環(huán)路定理和牛頓定律，建立目標(biāo)磁懸浮軸承的第一數(shù)學(xué)模型；基于所述第一數(shù)學(xué)模型，建立所述目標(biāo)磁懸浮軸承的位移傳感器和功率放大器的第二數(shù)學(xué)模型；基于所述第二數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建增量式pid控制模塊；基于改進(jìn)的pinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所述pid控制模塊的控制參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)所述pid控制模塊的控制參數(shù)進(jìn)行整定；所述改進(jìn)的pinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括結(jié)合遺傳算法的pinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3、可選地，基于磁路安培環(huán)路定理和牛頓定律，建立目標(biāo)磁懸浮軸承的第一數(shù)學(xué)模型，包括：基于磁路安培環(huán)路定理和牛頓定律，組建所述目標(biāo)磁懸浮軸承的定子、轉(zhuǎn)子、電磁鐵和線圈繞組的靜態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系；以所述靜態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系為基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)理建模的方法建立所述目標(biāo)磁懸浮軸承的控制電流、偏置電流、轉(zhuǎn)子平衡點(diǎn)氣隙長(zhǎng)度與所述目標(biāo)磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子的位移之間的微分方程，得到所述第一數(shù)學(xué)模型。

4、可選地，所述第一數(shù)學(xué)模型包括非線性微分方程；所述第二數(shù)學(xué)模型包括所述目標(biāo)磁懸浮軸承的差動(dòng)控制模型；基于所述第一數(shù)學(xué)模型，建立所述目標(biāo)磁懸浮軸承的位移傳感器和功率放大器的第二數(shù)學(xué)模型，包括：將所述非線性微分方程轉(zhuǎn)換為拉普拉斯模型；將所述位移傳感器和所述功率放大器的數(shù)學(xué)模型表示為一階慣性環(huán)節(jié)并進(jìn)行拉普拉斯變換，得到所述位移傳感器和所述功率放大器的傳遞函數(shù)模型；將所述拉普拉斯模型和所述傳遞函數(shù)模型進(jìn)行耦合，得到所述目標(biāo)磁懸浮軸承的差動(dòng)控制模型。

5、可選地，所述改進(jìn)的pinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用遺傳算法進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始參數(shù)的優(yōu)化訓(xùn)練，使用包括數(shù)據(jù)適配項(xiàng)和物理適配項(xiàng)的損失函數(shù)。

6、可選地，所述pid控制模塊的控制參數(shù)，包括比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)。

7、另一方面，還提供了一種磁懸浮軸承pid控制器構(gòu)造系統(tǒng)，包括：第一建立模塊，第二建立模塊，構(gòu)建模塊和整定模塊；其中，所述第一建立模塊，用于基于磁路安培環(huán)路定理和牛頓定律，建立目標(biāo)磁懸浮軸承的第一數(shù)學(xué)模型；所述第二建立模塊，用于基于所述第一數(shù)學(xué)模型，建立所述目標(biāo)磁懸浮軸承的位移傳感器和功率放大器的第二數(shù)學(xué)模型；所述構(gòu)建模塊，用于基于所述第二數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建增量式pid控制模塊；所述整定模塊，用于基于改進(jìn)的pinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所述pid控制模塊的控制參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)所述pid控制模塊的控制參數(shù)進(jìn)行整定；所述改進(jìn)的pinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括結(jié)合遺傳算法的pinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

8、可選地，第一建立模塊，還用于：基于磁路安培環(huán)路定理和牛頓定律，組建所述目標(biāo)磁懸浮軸承的定子、轉(zhuǎn)子、電磁鐵和線圈繞組的靜態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系；以所述靜態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系為基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)理建模的方法建立所述目標(biāo)磁懸浮軸承的控制電流、偏置電流、轉(zhuǎn)子平衡點(diǎn)氣隙長(zhǎng)度與所述目標(biāo)磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子的位移之間的微分方程，得到所述第一數(shù)學(xué)模型。

9、可選地，所述第一數(shù)學(xué)模型包括非線性微分方程；所述第二數(shù)學(xué)模型包括所述目標(biāo)磁懸浮軸承的差動(dòng)控制模型；所述第二建立模塊，還用于：將所述非線性微分方程轉(zhuǎn)換為拉普拉斯模型；將所述位移傳感器和所述功率放大器的數(shù)學(xué)模型表示為一階慣性環(huán)節(jié)并進(jìn)行拉普拉斯變換，得到所述位移傳感器和所述功率放大器的傳遞函數(shù)模型；將所述拉普拉斯模型和所述傳遞函數(shù)模型進(jìn)行耦合，得到所述目標(biāo)磁懸浮軸承的差動(dòng)控制模型。

10、另一方面，還提供了一種電子設(shè)備，包括：存儲(chǔ)器、處理器和存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明提供的方法。

11、另一方面，還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有程序代碼，所述程序代碼可被處理器調(diào)用執(zhí)行如本發(fā)明提供的方法。

12、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種磁懸浮軸承pid控制器構(gòu)造方法和系統(tǒng)，利用pinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整合物理定律以預(yù)測(cè)和模擬磁懸浮軸承的動(dòng)態(tài)行為，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)整pid控制器的參數(shù)，以適應(yīng)磁懸浮軸承在各種條件下的性能需求，有效提升了磁懸浮軸承的操作效率和可靠性，緩解了現(xiàn)有磁懸浮軸承控制系統(tǒng)在復(fù)雜工況下存在穩(wěn)定性降低的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)特征：

1.一種磁懸浮軸承pid控制器構(gòu)造方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于磁路安培環(huán)路定理和牛頓定律，建立目標(biāo)磁懸浮軸承的第一數(shù)學(xué)模型，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一數(shù)學(xué)模型包括非線性微分方程；所述第二數(shù)學(xué)模型包括所述目標(biāo)磁懸浮軸承的差動(dòng)控制模型；基于所述第一數(shù)學(xué)模型，建立所述目標(biāo)磁懸浮軸承的位移傳感器和功率放大器的第二數(shù)學(xué)模型，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述改進(jìn)的pinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用遺傳算法進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始參數(shù)的優(yōu)化訓(xùn)練，使用包括數(shù)據(jù)適配項(xiàng)和物理適配項(xiàng)的損失函數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述pid控制模塊的控制參數(shù)，包括比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)。

6.一種磁懸浮軸承pid控制器構(gòu)造系統(tǒng)，其特征在于，包括：第一建立模塊，第二建立模塊，構(gòu)建模塊和整定模塊；其中，

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一建立模塊，還用于：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一數(shù)學(xué)模型包括非線性微分方程；所述第二數(shù)學(xué)模型包括所述目標(biāo)磁懸浮軸承的差動(dòng)控制模型；所述第二建立模塊，還用于：

9.一種電子設(shè)備，其特征在于，包括：存儲(chǔ)器、處理器和存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有程序代碼，所述程序代碼可被處理器調(diào)用執(zhí)行如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種磁懸浮軸承PID控制器構(gòu)造方法和系統(tǒng)，涉及磁懸浮軸承控制技術(shù)領(lǐng)域，包括：基于磁路安培環(huán)路定理和牛頓定律，建立目標(biāo)磁懸浮軸承的第一數(shù)學(xué)模型；基于第一數(shù)學(xué)模型，建立目標(biāo)磁懸浮軸承的位移傳感器和功率放大器的第二數(shù)學(xué)模型；基于第二數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建增量式PID控制模塊；基于改進(jìn)的PINN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)PID控制模塊的控制參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)PID控制模塊的控制參數(shù)進(jìn)行整定；改進(jìn)的PINN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括結(jié)合遺傳算法的PINN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明緩解了現(xiàn)有磁懸浮軸承控制系統(tǒng)在復(fù)雜工況下存在穩(wěn)定性降低的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：李靜,高澤旭,項(xiàng)曉菲,范晨飛,紀(jì)柯柯,朱積坤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9