申请/专利权人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学

申请日：2023-08-31

公开（公告）日：2024-01-16

公开（公告）号：CN117411368A

主分类号：H02P21/05

分类号：H02P21/05;H02P21/22;H02P21/00

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.02.02#实质审查的生效;2024.01.16#公开

摘要：本发明涉及一种基于归一化变步长LMSLeastMeanSquare,LMS算法的不平衡振动抑制方法。首先建立含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子偏转动力学模型，然后设计了一种基于归一化变步长LMS算法的不平衡振动抑制方法，根据不同的频率成分调整步长，提高算法的收敛速度，并采用反双曲正弦函数，保证在稳态阶段仍具有较小的误差，通过归一化处理降低算法对输入信号的敏感度，更好地跟踪控制电流中的谐波成分，提高对不平衡振动的抑制效果。本发明属于磁悬浮转子控制领域，可用于受质量不平衡和传感器谐波影响的磁悬浮转子系统的不平衡振动控制。

主权项：1.一种基于归一化变步长LMS算法的不平衡振动抑制方法，其特征在于：针对磁悬浮转子系统中由转子质量不平衡引入的同频振动和由传感器谐波引入的倍频振动，通过建立基于归一化变步长LMS算法的不平衡振动控制器，把磁悬浮转子系统偏转两通道中的谐振扰动电流作为期望消除的信号，达到抑制同频及倍频振动力矩的效果，具体包括以下步骤：1建立含转子质量不平衡和传感器谐波的的磁悬浮转子偏转动力学模型在采用洛伦兹力磁轴承控制偏转的磁悬浮转子系统中，由洛伦兹力磁轴承的控制原理和偏转动力学方程可得： 式中，N为线圈匝数，Ix和Iy分别为径向X和Y通道的线圈电流大小，B为LFMB气隙的磁场大小，Lr为LFMB定子骨架半径，为线圈对应的圆心角，Jx，Jy和Jz为转子各轴的转动惯量，α和β分别为转子绕x轴和y轴的偏转角，Ω为转子转速；由于材料的质量分布不均匀和加工误差等原因，转子的几何轴与惯性轴不重合，即转子质量动不平衡。因此，当转子高速旋转时，传感器会检测到与转速同频的跳动，即同频振动信号，可表示为：Θd＝εdcosΩt+θd2式中，Θd为转子动不平衡，εd和θd分别为惯性轴与几何轴之间的偏心量和初始相位；此外，由于材料和安装的限制，位移传感器的检测表面并不是一个光滑的圆形，当转子高速旋转时，不规则旋转曲线也开始以转速转，会产生倍频的周期性干扰，即传感器谐波。因此，传感器的输出信号中会包含转速的倍频信号，可以有用傅里叶级数的形式表示： 式中，dx为由传感器谐波引起的传感器输出信号中含有的谐波分量，adk和分别为传感器谐波引起的倍频振动信号的幅值和初始相位。因此，在考虑转子质量动不平衡和传感器谐波的情况下，传感器检测到的转子偏转角可表示为： 式中，α和β分别为理想条件下的转子偏转角，αr和βr分别为存在质量不平衡时转子的实际偏转角，αd和βd分别为由质量不平衡导致的偏转角扰动，αs和βs分别为由传感器谐波导致的偏转角扰动；结合式2和式3，式4可进一步表示为： 根据磁悬浮转子系统的控制原理可知，由传感器采集到的偏转位移信号在经过控制器和功率放大器后，会产生与转子同频和倍频的扰动电流，其中，谐波电流可表示为： 式中，χx和χy表示同频谐波电流系数，ηx和ηy表示倍频谐波电流系数，与转子转速有关，且随着转速的升高而增大；将式6代入式1得， 式中， 令由式9可知，MSCSG的不平衡振动力矩主要包含两部分，包括由转子动不平衡产生的同频振动力矩和由传感器谐波产生的倍频振动力矩；2建立基于归一化变步长LMS算法的不平衡振动控制器由转子质量不平衡和传感器谐波的原理可知，当转子以转速Ω高速旋转时，位移传感器的输出信号既包含与转速同频的振动信号，又包含倍频的振动信号经过控制器和功率放大器，会产生与转速同频及倍频的扰动电流；设MSCSG的偏转两通道分别为α通道和β通道，α通道的电流为Iα，β通道的电流为Iβ。定义归一化变步长LMS控制器的输入信号为： 将需要抑制的包含同频和倍频扰动的谐波电流作为归一化变步长LMS控制器的期望信号iαk和iβk，控制器的权向量为： 输出信号为Iαk和Iβk，误差信号为e1k和e2k。根据经典LMS算法的原理可知： 由梯度下降法可知，权向量的迭代更新公式为： 式中，Jk＝e2k。为了满足磁悬浮转子系统实时改变转速的情况，提出一种可针对不同转速调整步长因子的变步长LMS算法；在滤波的初始阶段，ek较大，需要选择较大的μ值，以提高收敛速度和算法的跟踪特性；当ek逐渐变小，则需要减小μ值，降低稳态误差；此时，μk可以表示为： 式中，arsinh表示反双曲正弦函数，m控制μk的取值范围，n控制曲线的形状，γ为一个较小的正常数0≤γ≤1，防止xTkxk过小导致步长值过大；此时，式13可表示为： 由式11可知，通过调整参数m、n和γ，可使每个权值具有单独的步长，从而在自适应滤波的过程中，使不同频率具有相同的收敛速度，提高算法的跟踪性能；3抑制扰动电流及振动力矩为了保证系统的稳定性，上述变步长归一化LMS算法需满足收敛性条件，即让wk趋于最优解wo，其中，wo＝R-1H；定义权值误差矢量vk＝wo-wk，由式13可得：E{vk+1}＝[I-E{μk}R]E{vk}16又因为R＝QΛQT,其中，矩阵Q为变换的酉矩阵，矩阵Λ是对角矩阵，矩阵R的特征值作为其对角元素，记为λk，为正实数。令v′k＝QTvk，因此，式16可表示为：E{v′k+1}＝[I-E{μk}Λ]E{v′k}17为了满足算法的收敛性，保证系统的稳定，需满足以下条件： 式中，λmax为矩阵R的最大特征值；此时有同时，目标函数J取得最小值，则有： 由式19可知，在磁悬浮转子系统中引入变步长归一化LMS控制器后，可以在实时改变转速的情况下，有效地跟踪由转子质量不平衡和传感器谐波产生的同频及倍频扰动电流，取反后补偿至原系统中，达到消除不平衡振动的效果。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种基于归一化变步长LMS算法的不平衡振动抑制方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD