磁悬浮轴承系统的时滞动力学建模与控制研究.pdf

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1、第40卷第1期2014年2月航空发动机AeroengineV01．40No．1Feb．2014磁悬浮轴承系统的时滞动力学建模与控制研究郑凯(中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015)摘要：针对磁悬浮轴承转子系统的时滞动力学与控制技术进行研究。基于原有磁悬浮轴承数学模型基础，将反馈回路上各环节时滞考虑在内，建立了5自由度系统机电耦合的动力学模型，并针对不确定有界时滞采用Lyapunov直接法给出了时滞相关镇定控制律的设计方法，以未考虑时滞所设计的PD控制器作为参照进行了仿真试验研究。结果表明：机电系统中的微小时滞会对高速转子系统的稳定性和动

2、态性能产生较大影响，而所设计的控制器能有效地抑制时滞的负面效应，保证系统稳定运行。关键词：磁悬浮轴承；时滞；建模；控制；航空发动机中图分类号：V229文献标识码：Adoi：10．13477／j．cnki．aeroengine．2014．01．006ModelingandControlofMagneticBearing-rotorSystemwithDelayedFeedbackZHENGKai(AVICShenyangEngineDesignandResearchInstitute，Shenyang110015，China)Abstract：A

3、imingatinvestigatingdynamicsandcontroltechnologyofmagneticbeating-rotorsystemwithdelayedfeedback，a5-DOFmechanicalmodelwasbuiltbasedonoriginalmagneticbearing-rotormathematicalmodel．，inwhichtimedelayineverypartoffeedbackloopwasconsidered．Adelay-dependentstabilizedcontrollerwas

4、proposedbydirectLyopunovmethodforuncertainboundeddelay．ThesimulationswerecarriedonbyusingbothaPDcontrollerwithoutconsideringtimedelayandthecontrollerproposedinthispaper．Theresultshowthatsmalltimedelayhasgreatinfluenceonstabihtyanddynamicsofmagneticbeatingsystems,andthedelay—

5、dependentcontrollercaninhibitnegativeeffectsandstabilizethetimedelaysystem．Keywords：magneticbeating；timedelay；modeling；control；aeroengine0引言磁悬浮轴承是利用可控磁场力提供无接触支承而使转子稳定悬浮于空间的1种高性能轴承，具有高转速、无需润滑、工作温度范围广及可测可控性好等诸多优点【1l，目前在空间技术、物理学、机械加工、振动控制、机器人、离心机、膨胀机等诸多工业领域中得到广泛应用㈣，且作为新一代多电航空发动

6、机转子的主要支承方式，引起世界各国研究机构和学者的高度关注[5--13]。磁悬浮轴承转子系统在高速、超高速下运行时，会受到结构材料强度、动力时滞、锥型涡动、电压电流钳制等诸多因素的影响和限制，其中时滞的影响最不可忽略。机电控制系统中的时滞在数值上很小，一般只有几十微秒，在系统相对简单、时滞环节不多且对于系统动力行为无严格限制的情况下，忽略其产生的效应并没有什么不妥。但对于工作在苛刻条件下的复杂机电系统，考虑到航空发动机等重要设备的高可靠性要求，其设计技术和控制理论研究必须构筑在更加严密的体系框架基础上，必须认真考虑时滞的作用。特别对于在高速环境

7、下运转的磁悬浮轴承系统而言，即使是数字控制系统中的微小时滞，与转子的转动周期在数量级上也已经相当接近，因此有可能对转子系统的稳定性和动态性能产生很大影响，必须加以细致研究。目前，对于磁悬浮轴承时滞问题的研究已经引起了一些关注114-19]，但大都仅限于简单的单自由度系统的动力学问题，且在高速转子系统控制的问题收稿日期：2012—1l—ol基金项目：总装基础研究项目资助作者简介：郑凯(1981)，男，博士，工程师，从事磁悬浮、机电控制、转子动力学等技术研究工作；E-maihzhengkai_xjtu@126．corn。引用格式：郑凯磁悬浮轴承系统

8、的时滞动力学建模与控铡研究ljl．航空发动机，2014，40(1)：32-38．ZhengKai．ModelingandControlofMagnet