撓性轉子系統電磁軸承的神經網絡控制裝置的製作方法
2023-05-17 07:52:06
專利名稱：撓性轉子系統電磁軸承的神經網絡控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及撓性轉子系統電磁軸承的神經網絡控制裝置。
電磁軸承是利用電磁力使轉子在懸浮狀態下實現非接觸式超高速轉動的軸承系統，而電磁軸承的控制是實現轉子懸浮超高速轉動的關鍵。在轉動過程中，由於轉子存在X、Y、Z三個方向共五個自由度的振動，基于振動分析技術的開環設計式的控制方法根本無法奏效。而基於軟體方式的自適應控制、學習控制等方法，由於計算機硬體、軟體條件的限制，其控制的實時性很差，無法得到令人滿意的效果。因此，超高速轉子系統電磁軸承的實時控制，是一直都沒有得到解決的問題。
本發明的目的是提供一種由具有並行信號處理功能的數字式神經網絡高速調節器構成的電磁軸承的實時控制裝置，能夠在轉子轉動一周內施加若干次控制作用來抑制轉子的振動，從而解決超高速轉子系統電磁軸承的實時控制。
本發明所採用的技術方案是在撓性轉子系統的轉軸A端X和Y兩個方向分別安裝能檢測A端X、Y方向位移偏差的渦流傳感器a、b，在轉軸B端X和Y兩個方向分別安裝能檢測B端X和Y方向位移偏差的渦流傳感器c、d，在轉軸上安裝能隨轉軸轉動的一個圓盤，相對於圓盤端面安裝能檢測轉軸在Z方向位移偏差的渦流傳感器e，每個傳感器a、b、c、d、e其檢測信號分別送至與之相連的信號放大AAX、AAY、ABX、ABY、AZ，進行放大，放大後的信號分別為V1AX、V1AY、V1BX、V1BY、V1Z，送入各自的數字式神經網絡高速調節器CAX、CAY、CBX、CBY、CZ的壓頻轉換器VFC1，經控制律運算後，由其數模轉換器DAC輸出控制信號V3AX、V3AY、V3BX、V3BY、V3Z，經電壓/電流轉換和電流放大器IAX、IAY、IBX、IBY、IZ進行功率放大後，加在轉軸A、B兩端電磁軸承X方向定子繞組FAX、FBX，Y方向定子繞組FAY、FBY，A、B兩端的電磁軸承Z方向定子繞組FZ上，分別組成五個獨立的反饋控制迴路，在各自的數字式神經網絡高速控制器的壓頻轉換器VFC2上，分別所加的代表設定值的信號其值為零。
本發明與背景技術相比，具有的有益的效果是由於在撓性轉子系統的轉軸A、B兩端的X、Y兩個方向、轉軸Z方向分別採用渦流傳感器、信號放大器、數字式神經網絡高速調節器、電流放大器和電磁軸承構成X、Y、Z三個方向共五個自由度的反饋控制迴路，實現了電磁軸承的實時控制，由於數字式神經網絡高速調節器可在微秒級實現控制律的運算，故能實時有效地消除轉子轉動過程中產生的振動位移，使轉子系統達到高速穩定的轉動。
下面結合附圖，通過對實施例的描述給出本發明的細節。
圖1本發明的結構框圖;
圖2轉子電磁軸承系統結構示意圖;
圖3信號放大器的線路圖;
圖4電流放大器的線路圖;
圖5數字式神經網絡高速調節器上增加的滯後補償線路框圖;
圖6本發明的另一種參數自整定優化控制結構框圖;
如圖1、圖2所示，撓性轉子系統為R，轉子1的轉軸3兩端分別稱為A端和B端，在轉軸3左右端利用電磁軸承的定子和線圈繞組11、12、5、6產生的電磁力將轉子1懸浮起來的轉子系統，同時在轉軸3左右端面利用電磁軸承的定子和線圈13、14、7、8產生的電磁力來確定轉子在Z方向的位置，電磁軸承支架10裝在底板9上。在轉軸3的A、B端分別裝有檢測X、Y方向的位移偏差的渦流傳感器a、b、c、d，用來檢測轉軸3的A、B端在X、Y方向的位移偏差，在轉軸3上裝有定位圓盤4，在圓盤4側面相對於圓盤裝有渦流傳感器e，用來檢測轉軸3的Z方向的位移偏差。渦流傳感器a、b、c、d、e其檢測信號分別送至與之相連的信號放大器AAX、AAY、ABX、ABY、AZ進行放大，放大後的信號分別為V1AX、V1AY、V1BX、V1BY、V1Z，送入各自的數字式神經網絡高速調節器CAX、CAY、CBX、CBY、CZ的壓頻轉換器VFC1，經控制律運算後，由其數模轉換器DAC輸出控制信號V3AX、V3AY、V3BX、V3BY、V3Z，又經電壓/電流轉換和功率放大後，加在轉軸3的A、B兩端的電磁軸承X方向繞組12和5的FAX和FBX上，Y方向繞組12和5的FAY和FBY上，Z方向繞組14和7的FZ上，分別組成五個獨立的反饋控制迴路，圖2中2為測速齒輪，在數字式神經網絡高速調節器的壓頻轉換器VFC2上，分別所加的代表設定值信號的V2AX、V2AY、V2BX、V2BY、V2Z其值為零。
以上的數字式神經網絡高速調節器CAX、CAY、CBX、CBY、CZ可採用正如申請人已申請發明專利的「數字式神經網絡高速比例、積分、微分調節器」，申請日為1994年9月10日，申請號為94108684.4;或「數字式神經網絡高速不完全微分比例、積分、微分調節器」，申請日為1994年9月10日，申請號為94108685.2。
由於轉子系統轉軸的振動位移是在X、Y和Z三個方向同時存在的，它在任一時刻的位移都是在X、Y、Z方向位移的矢量合成，故其任一時刻的振動位移都可分解為X方向位移、Y方向位移和Z方向的位移。現以X方向(即A端或B端的X方向)的控制迴路為例由渦流傳感器a(或c)測得轉軸在X方向的位移信號後，如圖3所示，經由LM741C構成的信號放大器AAX(或ABX)放大後，可獲得X方向的位移信號V1AX(或V1BX)，該信號送往數字式神經網絡高速調節器CAX(或CBX)的壓頻轉換器VFC1，而數字式神經網絡高速調節器的另一輸入端，即設定值輸入端此處則應設定V2AX(或V2BX)為零，經調節器控制律運算後，送入模數轉換器DAC輸出為控制作用電壓信號V3AX(或V3BX)。電壓信號V3AX(或V3BX)送如圖4所示的電壓/電流轉換和電流放大器IAX(或IBX)進行功率放大，首先V3AX(或V3BX)經由雙重運算放大器RC4558和三極體2SC945構成的電壓/電流轉換電路轉換為電流信號，然後經由2SC2333、2S2336A和四隻2SD555構成的達林頓式逐級放大電路進行功率放大，經過功率放大的電流加在電磁軸承的X方向定子繞組上，這樣就構成了X方向的反饋控制迴路。在這樣一個迴路中，當渦流傳感器檢測到位移偏差不為零時(設轉子正常轉動的設定位置對應渦流傳感器的輸出為零)，該信號經放大、控制律運算並輸出、產生控制作用並經功率放大後由電磁軸承定子線圈產生電磁力來消除這個位移偏差，其他Y方向及Z方向的反饋控制迴路類同。
考慮到數字式神經網絡高速調節器輸出控制電壓信號、經放大等過程轉換為電磁作用力，會產生一定的時滯效應，故需對所採用的數字式神經網絡高速調節器進行滯後補償，如圖5所示，在數字式神經網絡高速調節器CAX、CAY、CBX、CBY、CZ中的數據鎖定器SS1的輸出端信號，一路經數據鎖定器SSa送減法器JF，另一路直接送減法器JF，減法器JF輸出送乘法器CF、加法器A，與數字式神經網絡高速調節器中的數據鎖定器SS3連接，與乘法器CF另一輸入端相連的是數據鎖定器SSb，SSb中存的是係數kb，與加法器A另一輸入端相連的是數字式神經網絡高速調節器的減法器JF1，即利用位移偏差的微分進行補償，取本周期與上周期位移偏差對應的脈衝個數之差，該差乘以一個係數kb後加到數字式神經網絡高速調節器的位移檢測值與設定值所對應的脈衝個數之差上。
為了進一保證轉子在外界幹擾下仍能快速回復平穩，本發明又在五個反饋控制迴路上增加一個以8098為核心的微處理機系統，它的輸入信號是V1AX、V1AY、V1BX、V1BY、V1Z、V3AX、V3AY、V3BX、V3BY、V3Z，在微處理機中固化有用彙編語言編寫的程序，用於優化各調節器的比例、積分、微分參數，並輸出下載到五個調節器上。
本發明採用的壓頻轉換器為AD650，模數轉換器為DAC-08H，數據鎖定器為SN74LS75，加法器為SN74LS283，乘法器為16×16位乘法器，減法器由加法器和原反碼選擇器SN74H87組成。
權利要求
1.一種撓性轉子系統電磁軸承的神經網絡控制裝置，其特徵是在撓性轉子系統[R]的轉軸[3]A端X和Y兩個方向分別安裝能檢測A端X和Y兩個方向位移偏差的渦流傳感器[a]、[b]，在轉軸[3]B端X和Y兩個方向分別安裝能檢測B端X和Y兩個方向位移偏差的渦流傳感器[c]、[d]，在轉軸[3]上安裝能隨轉軸轉動的一個圓盤[4]，相對於圓盤[4]端面安裝能檢測轉軸[3]在Z方向位移偏差的渦流傳感器[e]，每個傳感器[a]、[b]、[c]、[d]、[e]其檢測信號分別送至與之相連的信號放大器AAX、AAY、ABX、ABY、AZ進行放大，放大後的信號分別為V1AX、V1AY、V1BX、V1BY、V1Z，送入各自的數字式神經網絡高速調節器CAX、CAY、CBX、CBY、CZ的壓頻轉換器VFC1，經控制律運算後，由其數模轉換器DAC輸出控制信號V3AX、V3AY、V3BX、V3BY、V3Z，經電壓/電流轉換和電流放大器IAX、IAY、IBX、IBY、IZ進行功率放大後，加在轉軸A、B兩端電磁軸承X方向定子繞組FAX、FBX，Y方向定子繞組FAY、FBY，A、B兩端面的電磁軸承Z方向定子繞組FZ上，分別組成五個獨立的反饋控制迴路，在各自的數字式神經網絡高速調節器CAX、CAY、CBX、CBY、CZ的壓頻轉換器VFC2上，分別所加的代表設定值的信號V2AX、V2AY、V2BX、V2BY、V2Z，其值為零。
2.根據權利要求1所述的撓性轉子系統電磁軸承的神經網絡控制裝置，其特徵是分別在數字式神經網絡高速調節器CAX、CAY、CBX、CBY、CZ中的數據鎖定器SS1的輸出端信號，一路經數據鎖定器SSa送減法器JF，另一路送減法器JF，減法器JF輸出送乘法器CF、加法器A，與數字式神經網絡高速調節器中的數據鎖定器SS3連接，與乘法器CF另一端輸入端相連的是數據鎖定器SSb，與加法器A另一輸入端相連的是數字式神經網絡高速調節器的減法器JF1。
3.根據權利要求1所述的撓性轉子系統電磁軸承的神經網絡控制裝置，其特徵是在五個反饋控制迴路上，增加一個8098微處理機系統，它的輸入信號是V1AX、V1AY、V1BX、V1BY、V1Z;V3AX、V3AY、V3BX、V3BY、V3Z，它的輸出信號分別是五個數字式神經網絡高速調節器的比例積分微分參數。
全文摘要
一種撓性轉子系統電磁軸承的神經網絡控制裝置，是在撓性轉子系統的轉軸A、B兩端的X和Y兩個方向，轉軸的Z方向分別採用渦流傳感器、信號放大器、數字式神經網絡高速調節器、電流放大器和電磁軸承構成X、Y、Z三個方向共五個自由度的反饋迴路，實現電磁軸承的實時控制，由於數字式神經網絡高速調節器可在微秒級實現控制律的運算，故能實時有效地消除轉子轉動過程中產生的振動位移，使轉子系統達到高速穩定的轉動。
文檔編號G05B5/01GK1106939SQ94118600
公開日1995年8月16日 申請日期1994年12月9日 優先權日1994年12月9日
發明者鮑立威 申請人:浙江大學