柔性磁悬浮转子的控制算法研究

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1、柔性磁悬浮转子的控制算法研究第一章绪论1.1引言磁力轴承是利用电磁铁产生电磁力将转子悬浮并高速旋转的一种新型高性能轴承[1]，是一种典型的机电一体化产品，综合了计算机学、机械工程学、力学、电磁学、电子学和控制工程等多种学科[2]。磁力轴承不仅为旋转机械提供了无机械磨损运行，还能够实现在高速运转状态下对转子动力学行为的主动控制，被广泛应用于军事、航天、国防、真空技术、机床等各个领域。人们为了实现物体稳定无接触悬浮，经过了很多探索和努力。曾经采用永久磁铁试图使物体稳定悬浮，但没有取得成功。英国剑桥大学的S.Earnshaper）提出采用可控电磁铁产生可控电磁力，根据

2、物体悬浮的位置和状态连续不断的调节磁场，使物体能够稳定自由的悬浮[4]。同年，肯珀进行了相关实验，采用可控电磁铁使210Kg的物体稳定悬浮在气隙为15mm的空间位置。在实验过程中，采用了电子管放大器和非接触式电容式或电感式传感器来构建控制系统，磁悬浮列车的出现就是以这一实验为基础的。现代磁悬浮技术开始于1957年。当年，法国Hispano-Suiza公司首次提出了利用电磁铁和感应传感器构成主动全悬浮系统的设想并取得了法国专利[5]。进入20世纪70年代，美国的NASA系统对应用在卫星飞轮上的混合磁悬浮轴承进行了设计与研究。从此以后，国防、军事、航天等很多领域都迅

3、速开始使用磁悬浮技术。随着现代控制理论的发展，对磁悬浮系统采取的控制策略已经从单自由度控制向多自由度控制转变，但这一时期的研究还存在很多问题，主要表现在：忽略了磁悬浮系统的陀螺效应；把转子等效为刚体；虽然建立的数学模型是多输入多输出的，但是仍然忽略了磁悬浮系统中各个自由度中的耦合作用，采用单自由度控制策略。.1.2磁悬浮系统相关控制策略磁悬浮系统是一个典型的本质非线性和开环不稳定系统，对磁悬浮系统实施有效的控制是磁悬浮技术应用过程中需要解决的关键问题，因此研究磁悬浮系统的相关控制算法具有重要意义。由于传统的控制算法是基于平衡点的磁悬浮系统线性化模型，因此所设计的

4、控制器只能在系统平衡点附近的小范围内产生控制效果，一旦系统受到较大的外部干扰，将导致被悬浮对象较大的偏离平衡点，系统的非线性特性将导致系统失稳从而使被悬浮对象悬浮失败。随着现代控制理论的发展，磁悬浮控制算法不仅仅局限于传统PID控制算法，各种先进的控制算法例如滑模控制、H∞控制、非线性控制和模糊控制等也被应用于磁悬浮控制系统。转速低于最低弯曲临界转速的转子通常称为刚性转子。这类转子的不平衡动力响应的理论和动平衡技术都比较简单，可以忽略由不平衡力引起的转子挠曲变形[6]。国内外的学者对刚性磁悬浮转子的控制策略的研究已经趋于成熟。2003年，美国北卡罗莱

5、纳州立大学NathanS.Gibson等提出了一种用于人工神经网络辨识主动磁力轴承不确定性的H∞控制方法[7]。2008年，德黑兰塔比阿特莫达勒斯大学FatemehJamshidi等提出了用于径向主动磁力轴承系统的动态输出反馈H2/H∞性能综合的优化设计方法[8]。2010年，印度VignanUniversity的研究人员Polamraju.V.S.Sobhan等设计了一个主动磁悬浮支承系统的闭环分散式模糊控制器[9]。2010年，印度学者P.S.V.Nataraj用定量反馈理论的新方法(QFT)设计了一个二自由度鲁棒磁悬浮控制器[10]

6、。2010年，韩国延世大学DongHu;综合控制器，使柔性磁悬浮转子越过了一阶临界转速[23]。总结以上成功使柔性转子越过临界转速的例子发现：通过改变控制算法或者控制参数是可以使柔性转子越过临界转速的，其本质就是改变了越过弯曲临界转速时磁悬浮系统的支承刚度和阻尼，改变转子的动力学特性，从而减小了转子的振动。本章主要将传统PID控制算法、模糊PID控制算法和单神经元自适应PID控制算法应用于柔性磁悬浮转子的联合仿真模型，并对三种控制算法的仿真结果进行比较分析，为柔性转子越过临界转速提供一定的技术参考。.总结本论文研究工作主要有以下几个方面：（1）根据磁悬浮转子系统

7、的工作原理，推导出磁悬浮系统的等效支承刚度和阻尼，分析表明磁悬浮系统的支承刚度和阻尼不仅仅取决于磁悬浮系统的机械结构还取决于其控制系统，且可以通过控制算法改变磁悬浮轴承的支承刚度和支承阻尼使柔性磁悬浮转子越过临界转速。（2）详细介绍磁悬浮转子系统的机械结构和控制系统，为建立柔性磁悬浮转子系统的虚拟样机联合仿真模型做好了准备。（3）在ADAMS/Flex柔性体理论的基础上，在ADAMS软件中导入ANSYS模态中性文件对柔性转子进行了模态分析，掌握各个模态的振型和固有频率，为柔性转子的安全运行提供依据。（4）在ADAMS中建立柔性转子的机械模型，施加相应的约束和载荷

8、，并定义系统的输入和输出