• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

磁悬浮柔性转子系统解耦控制仿真

宋春生 尹睿 魏子航 王鹏

宋春生, 尹睿, 魏子航, 王鹏. 磁悬浮柔性转子系统解耦控制仿真[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(4): 761-772. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220773
引用本文: 宋春生, 尹睿, 魏子航, 王鹏. 磁悬浮柔性转子系统解耦控制仿真[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(4): 761-772. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220773
SONG Chunsheng, YIN Rui, WEI Zihang, WANG Peng. Simulation on Decoupling Control of Maglev Flexible Rotor System[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(4): 761-772. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220773
Citation: SONG Chunsheng, YIN Rui, WEI Zihang, WANG Peng. Simulation on Decoupling Control of Maglev Flexible Rotor System[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(4): 761-772. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220773

磁悬浮柔性转子系统解耦控制仿真

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220773
基金项目: 国家自然科学基金(51879209);中央高校基本科研业务费专项资金(2021IVA117)
详细信息
    作者简介:

    宋春生(1981—),男,教授,博士,研究方向为机械振动主动控制与磁悬浮主动隔振技术,E-mail:song_chsh@163.com

  • 中图分类号: TH212;TH213.3

Simulation on Decoupling Control of Maglev Flexible Rotor System

  • 摘要:

    目前磁悬浮转子系统的解耦控制研究主要基于刚性转子系统,但在高转速、高支撑刚度下,转子的弹性模态不能忽视. 针对磁悬浮柔性转子的解耦控制问题,首先,建立柔性转子模型,采用模态截断法进行简化,通过状态反馈解耦得到解耦系统;然后,基于解耦系统设计了内模控制器,针对状态变量不易通过传感器获取的特点设计状态观测器;最后,仿真分析系统的解耦效果. 仿真结果表明:未解耦系统的位移响应中含有与系统固有频率相关的多个频率成分,而解耦后系统的位移响应仅含激励同频成分;同一坐标平面内的机械耦合由10−5 m数量级减小到${10^{ - 6}}$ m数量级,由陀螺效应引起的两径向方向间的耦合由${10^{ - 6}}$ m数量级减小到${10^{ - 19}}$ m数量级,机械耦合和陀螺效应耦合均得到了有效控制;稳定悬浮时轴心到参考点距离的标准差由$6.52 \times {10^{ - 9}}$ m减小到$6.38 \times $$ {10^{ - 12}}$ m,解耦后系统的运行波动更小;转子升速时和受到噪声干扰时系统响应不再受到固有频率影响,始终保持平稳;采用状态反馈解耦对不同的控制方法同样有效.

     

  • 图 1  磁悬浮转子模型

    Figure 1.  Maglev rotor model

    图 2  模态参与因子随激励频率的变化

    Figure 2.  Variation of modal participation factor with excitation frequency

    图 3  状态反馈解耦原理

    Figure 3.  Principle of state feedback decoupling

    图 4  原系统各通道幅频特性曲线

    Figure 4.  Amplitude-frequency characteristic curves of each channel of the original system

    图 5  解耦系统各通道幅频特性曲线

    Figure 5.  Amplitude-frequency characteristic curves of each channel of the decoupled system

    图 6  内模控制系统框图

    Figure 6.  Internal model control system block diagram

    图 7  全维状态观测器系统框图

    Figure 7.  Full-dimensional state observer system

    图 8  磁悬浮柔性转子系统解耦控制框图

    Figure 8.  Decoupling control of maglev flexible rotor system

    图 9  单通道简谐激励下各通道响应

    Figure 9.  Response of each channel under single-channel harmonic excitation

    图 10  各通道位移响应FFT分析

    Figure 10.  FFT analysis of displacement response of each channel

    图 11  高频激励下各通道位移响应FFT分析

    Figure 11.  FFT analysis of displacement response of each channel under high-frequency excitation

    图 12  非驱动端轴心轨迹图

    Figure 12.  Non-driving end axis trajectory

    图 13  升速过程中各通道响应

    Figure 13.  Response of each channel during acceleration

    图 14  单通道噪声扰动下各通道响应

    Figure 14.  Response of each channel under single-channel noise disturbance

    图 15  多通道噪声扰动下各通道响应

    Figure 15.  Response of each channel under multi-channel noise disturbance

    图 16  状态反馈解耦 +PID控制仿真结果

    Figure 16.  Simulation results of state feedback decoupling + PID control

  • [1] 谢振宇. 电磁轴承系统及其工业应用[D]. 西安: 西安交通大学, 2000.
    [2] 王晓光,胡业发,江征风,等. 磁悬浮系统机械耦合的研究[J]. 武汉理工大学学报,2002(12): 65-68.

    WANG Xiaoguang, HU Yefa, JANG Zhengfeng, et al. Research on mechanical coupling of magnetic suspension system[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2002(12): 65-68.
    [3] 沈钺,孙岩桦,王世琥,等. 磁悬浮飞轮系统陀螺效应的抑制[J]. 西安交通大学学报,2003,37(11): 1105-1109.

    SHEN Yue, SUN Yanhua, WANG Shihu, et al. The suppression of gyroscopic effect of magnetically suspended flywheel system[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2003, 37(11): 1105-1109.
    [4] 刘峰,王德明,欧阳慧珉,等. 基于交叉解耦的滑模控制在磁轴承中的应用[J]. 轴承,2014(11): 12-15,47.

    LIU Feng, WANG Deming, OUYANG Huimin et al. Application of sliding mode control based on cross decoupling in magnetic bearings[J]. Bearing, 2014(11): 12-15,47.
    [5] QIAO X L, TANG X P. The stability of magnetic levitation milling system based on modal decoupling control[J]. Shock and Vibration, 2020, 2020: 1-9.
    [6] 毛川. 主动电磁轴承—刚性飞轮转子系统的分析与控制[D]. 浙江: 浙江大学, 2017.
    [7] 尹增愿,蔡远文,任元,等. 磁悬浮转子状态反馈解耦自抗扰控制方法[J]. 北京航空航天大学学报,2022,48(7): 1210-1221. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0021

    YIN Zengyuan, CAI Yuanwen, REN Yuan, et al. Decoupled active disturbance rejection control method for magnetically suspended rotor based on state feedback[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(7): 1210-1221. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0021
    [8] CHENG X, CHENG B X, DENG S, et al. State-feedback decoupling control of 5-DOF magnetic bearings based on α-order inverse system[J]. Mechatronics, 2020, 68: 102358.1-102358.10.
    [9] LI Y Y, ZHU H Q. Decoupling control of three degrees of freedom hybrid magnetic bearing based on LS-SVM[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 529: 534-538. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.529.534
    [10] 魏子航,宋春生,李俊,等. 变刚度支承下电磁轴承−转子系统振动特性研究[J]. 轴承,2022(3): 15-22. doi: 10.19533/j.issn1000-3762.2022.03.003

    WEI Zihang, SONG Chunsheng, LI Jun, et al. Research on vibration characteristics of magnetic suspension bearing-rotor system under variable supporting stiffness[J]. Bearing, 2022(3): 15-22. doi: 10.19533/j.issn1000-3762.2022.03.003
    [11] 冉少林. 基于鲁棒控制的磁悬浮柔性转子建模及稳定性控制研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2019.
    [12] 徐园平. 柔性转子磁悬浮轴承支承特性辨识[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2018.
    [13] 朱伟明,杨艳,刘泽远,等. 基于模态参与因子的无轴承开关磁阻电机振动分析与抑制[J]. 微电机,2022,55(10): 8-15. doi: 10.3969/j.issn.1001-6848.2022.10.002

    ZHU Weiming, YANG Yan, LIU Zeyuan, et al. Vibration analysis of bearingless switched reluctance motor based on modal participation factor[J]. Micromotors, 2022, 55(10): 8-15. doi: 10.3969/j.issn.1001-6848.2022.10.002
    [14] 孙兆萍. 非线性系统内模控制策略[D]. 北京: 北京化工大学, 2014.
    [15] 刘芸. 内模控制及逆系统算法在船舶运动控制中的仿真研究[J]. 舰船科学技术,2016,38(11): 111-115,119.

    LIU Yun. Research on internal model control and inverse system theory in the simulation of ship motion control[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(11): 111-115,119.
    [16] 王孝武. 现代控制理论基础[M]. 3版. 北京: 机械工业出版社, 2013.
    [17] GAO H, MENG X H, QIAN K J. The impact analysis of beating vibration for active magnetic bearing[J]. IEEE Access, 2019, 7: 134104-134112. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2932723
    [18] 韩军,高德平,胡绚,等. 航空发动机双转子系统的拍振分析[J]. 航空学报,2007,28(6): 1369-1373. doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.2007.06.017
  • 加载中
图(16)
计量
  • 文章访问数:  288
  • HTML全文浏览量:  57
  • PDF下载量:  36
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-07
  • 修回日期:  2023-04-03
  • 网络出版日期:  2023-06-16
  • 刊出日期:  2023-04-21

目录

    /

    返回文章
    返回