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        基于擾動(dòng)觀測(cè)器的反推控制在磁軸承中的應(yīng)用

        2022-06-08 07:34:20張林張廣明
        軸承 2022年3期
        關(guān)鍵詞:反推觀測(cè)器質(zhì)心

        張林,張廣明

        (南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211816)

        主動(dòng)磁軸承通過(guò)電磁力支承轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),擁有噪聲低,使用壽命長(zhǎng),無(wú)需潤(rùn)滑,能耗低,耐磨損等優(yōu)點(diǎn)[1],在航空航天、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

        在實(shí)際使用過(guò)程中,轉(zhuǎn)子材料不均勻和加工誤差等產(chǎn)生的質(zhì)量不平衡,使轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速同頻段的不平衡力和力矩,造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)并產(chǎn)生位移偏差,影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性??蒲腥藛T提出了很多控制方法使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸?。何墨I(xiàn)[2-3]采用一種基于不平衡系數(shù)的多邊長(zhǎng)實(shí)時(shí)迭代搜尋算法,由不平衡補(bǔ)償器產(chǎn)生補(bǔ)償力實(shí)現(xiàn)對(duì)不平衡力的抑制;文獻(xiàn)[4]提出了基于振動(dòng)解耦的迭代搜尋方法,利用轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)的質(zhì)心位置分解其運(yùn)動(dòng),精確彌補(bǔ)了所需要的對(duì)偶力;文獻(xiàn)[5]采用了一種改進(jìn)的Hilbert變換方法,實(shí)現(xiàn)了僅通過(guò)一路徑向位移信號(hào)辨識(shí)出高精度轉(zhuǎn)速信號(hào);文獻(xiàn)[6]針對(duì)傳統(tǒng)的迭代學(xué)習(xí)控制 (Iterative Learning Control,ILC)增益值固定的缺陷提出了基于迭代學(xué)習(xí)理論的變?cè)鲆婵刂品椒?,?shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的補(bǔ)償;文獻(xiàn)[7]提出了基于不平衡常數(shù)迭代逼近的算法,將補(bǔ)償信號(hào)反饋到系統(tǒng)閉環(huán)回路上,對(duì)不平衡質(zhì)量的大小和相位進(jìn)行迭代修正,實(shí)現(xiàn)了不平衡量的辨識(shí);文獻(xiàn)[8-10]采用不依靠轉(zhuǎn)速的在線識(shí)別不平衡量大小和位置的方法,主要利用不平衡質(zhì)量大小和相位不變的特性,實(shí)現(xiàn)不平衡補(bǔ)償?shù)目刂?,試?yàn)結(jié)果表明該方法對(duì)不平衡控制的抑制效果顯著;文獻(xiàn)[11]指出相當(dāng)多的研究均只考慮轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速下的擾動(dòng)抑制,對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化過(guò)程的研究較少,但該過(guò)程又是必不可少的。

        本文提出將反推控制器[12]和擾動(dòng)觀測(cè)器[13]相結(jié)合形成一個(gè)復(fù)合控制器的控制策略,在轉(zhuǎn)子從零轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速再下降到零轉(zhuǎn)速的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,研究其對(duì)外部擾動(dòng)信號(hào)的抑制作用。

        1 磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

        磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一般由徑向四自由度和軸向自由度組成,其中軸向自由度由電動(dòng)機(jī)提供。為研究需要,只建立結(jié)構(gòu)如圖1所示的徑向四自由度磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng), 2套徑向主動(dòng)磁軸承和2個(gè)位移傳感器分別位于轉(zhuǎn)子的兩邊。Oxyz為質(zhì)心坐標(biāo)系,O為質(zhì)心位置,x,y分別為轉(zhuǎn)子前后、上下的徑向運(yùn)動(dòng)方向,z為轉(zhuǎn)子的軸線方向;OLxLyL,ORxRyR分別為左、右磁軸承的坐標(biāo)系;OsLxsLysL,OsRxsRysR分別為左、右傳感器的坐標(biāo)系;a,b分別為左、右磁軸承到轉(zhuǎn)子質(zhì)心的距離,c,d分別為左、右傳感器到質(zhì)心的距離,ω為轉(zhuǎn)子角速度,θx,θy分別為轉(zhuǎn)子繞x軸和y軸的轉(zhuǎn)角。

        圖1 徑向四自由度磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        根據(jù)牛頓定律建立徑向四自由度磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,即

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        (1)~(4)式可以簡(jiǎn)化為以下矩陣等式,即

        (5)

        式中:m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量;FLx,F(xiàn)Rx分別為左、右磁軸承在x方向的電磁力;FLy,F(xiàn)Ry分別為左、右磁軸承在y方向的電磁力;x,y分別為廣義坐標(biāo)中轉(zhuǎn)子質(zhì)心x,y方向的位移;Jx,Jy,Jz分別為轉(zhuǎn)子在x,y方向的赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Mεx,Mεy分別為轉(zhuǎn)子在x,y方向的不平衡力矩;Fex,F(xiàn)ey分別為作用在轉(zhuǎn)子x,y方向的不平衡力;e,ε分別為主軸偏心距和由力矩導(dǎo)致的傾角;t為時(shí)間;θ為質(zhì)量不平衡引起的靜不平衡與動(dòng)不平衡相角;M為質(zhì)量與慣量矩陣;G為陀螺矩陣;F為轉(zhuǎn)子電磁力矩陣;TL為電磁力系數(shù)矩陣;d為轉(zhuǎn)子干擾力矩陣;qc為質(zhì)子質(zhì)心位移角度矩陣。

        另一方面,線性化的軸承電磁力F為

        F=Kii-KsqL,

        (6)

        則磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可變換為

        (7)

        由圖1中的幾何關(guān)系可得

        (8)

        聯(lián)立(7),(8)式,將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在質(zhì)心下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為磁軸承坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,即

        (9)

        2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 反推控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        反推控制作為一種有效的控制設(shè)計(jì)方法,可以簡(jiǎn)單理解為:首先,將整個(gè)系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng),子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)要少于整個(gè)系統(tǒng)的階數(shù);然后,利用反向遞推思想設(shè)計(jì)每個(gè)子系統(tǒng)的虛擬控制函數(shù),并構(gòu)造保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的李亞普諾夫函數(shù);最后,推導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的控制信號(hào)。反推控制的最大優(yōu)點(diǎn)是可以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。令

        (10)

        代入(9)式,由于擾動(dòng)信號(hào)在實(shí)際過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量,故控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中去除磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中擾動(dòng)信號(hào)d,則磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型變形為

        (11)

        (12)

        定義位置跟蹤誤差

        e1=x1-x1d,

        (13)

        (14)

        式中:x1d為轉(zhuǎn)子期望運(yùn)動(dòng)軌跡。

        構(gòu)造李亞普諾夫函數(shù),即

        (15)

        求導(dǎo)得

        (16)

        定義速度跟蹤誤差

        e2=x2-x2d,

        (17)

        (18)

        將(17),(18)式代入(16)式得

        (19)

        對(duì)(17)式求導(dǎo)可得

        (20)

        構(gòu)造李亞普諾夫函數(shù),即

        (21)

        (22)

        (23)

        將(23)式代入(22)式可得

        (24)

        式中:k1為位置誤差收斂系數(shù);k2為速度誤差收斂系數(shù)。k1,k2均為正數(shù),可保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

        將(20)式代入(23) 式可得

        (25)

        由(25),(18),(17),(13)式可得

        (26)

        由(26)式可得

        (27)

        (28)

        2.2 擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)

        標(biāo)稱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,r為參考輸入,K0(s)為標(biāo)稱性能控制器,G0(s)為被控對(duì)象的標(biāo)稱模型傳遞函數(shù),控制器K0(s)的設(shè)計(jì)只考慮了控制系統(tǒng)輸出y對(duì)參考輸入r的跟蹤性能。

        圖2 標(biāo)稱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of nominal control system

        基于擾動(dòng)觀測(cè)器的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示,d(s)為外部干擾信號(hào),Q(s)為低通濾波器,V(s)為控制參數(shù),G(s)為被控對(duì)象的實(shí)際模型傳遞函數(shù)。

        圖3 基于擾動(dòng)觀測(cè)器的控制結(jié)構(gòu)圖

        圖3中系統(tǒng)輸出y可表示為

        (29)

        一般認(rèn)為同頻擾動(dòng)的頻率小于低通濾波器的截止頻率,在(29)式中由復(fù)頻域轉(zhuǎn)到頻域,則有濾波器Q(s)≈1,設(shè)定參數(shù)V(s)≈0,(29)式可近似為

        (30)

        由此看出,基于該擾動(dòng)觀測(cè)器的控制結(jié)構(gòu)能抑制外部干擾d(s)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。

        3 系統(tǒng)仿真分析

        表1 磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of rotor system of magnetic bearing

        表2 復(fù)合控制器參數(shù)Tab.2 Parameters of compound controller

        復(fù)合控制器應(yīng)用在磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)全轉(zhuǎn)速條件下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速譜如圖4所示。

        圖4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速譜曲線Fig.4 Rotor speed curve

        轉(zhuǎn)子在徑向四自由度上的位移響應(yīng)曲線如圖5所示,藍(lán)色、紅色實(shí)線分別為在反推控制器和復(fù)合控制器下的結(jié)果。由圖5可知,隨著轉(zhuǎn)速的增大,位移響應(yīng)曲線幅值隨之變大,在轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí),位移響應(yīng)曲線幅值達(dá)到最大,然后隨轉(zhuǎn)速減小,位移響應(yīng)曲線幅值逐漸下降至零。

        圖5 轉(zhuǎn)子位移響應(yīng)曲線Fig.5 Displacement response curve of rotor

        控制器的電流輸出曲線如圖6所示,藍(lán)色、紅色實(shí)線分別為在反推控制器下和復(fù)合控制器下的結(jié)果。由圖6可知,在復(fù)合控制器作用下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輸入電流約比反推控制器作用下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輸入電流大1倍多,在大電流的控制下,抑制了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的位移振動(dòng)幅值,提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

        圖6 控制器的電流輸出曲線Fig.6 Current output curve of controller

        轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速下位移響應(yīng)幅值見(jiàn)表3,反推控制器對(duì)磁軸承控制系統(tǒng)的擾動(dòng)有一定的抑制作用,但效果不好,當(dāng)采用復(fù)合控制器時(shí),擾動(dòng)抑制效果有了明顯提升:xL,xR,yL,yR的位移幅值分別降低約85.8%, 83.4%,83.1%,85.7%。

        表3 轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速下位移響應(yīng)幅值比較

        4 結(jié)束語(yǔ)

        轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡帶來(lái)的同頻干擾是磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一,在建立磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)下,分別設(shè)計(jì)了反推控制器和擾動(dòng)觀測(cè)器,并將反推控制算法與擾動(dòng)觀測(cè)器相結(jié)合,形成一個(gè)復(fù)合控制器。與單獨(dú)使用反推控制器相比,復(fù)合控制器對(duì)轉(zhuǎn)子徑向四自由度的擾動(dòng)降低約一個(gè)數(shù)量級(jí),并且在轉(zhuǎn)子從零轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速再下降到零轉(zhuǎn)速的全過(guò)程中對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的抑制均有較好效果,提高了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)態(tài)精度。

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