• ISSN 0258-2724
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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

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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

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