[發明專利]基于交叉解耦陷波器的同頻振動力矩分層控制方法

有效

• 申請號: 201810492551.2
• 申請日: 2018-05-22
• 公開（公告）號: CN108710286B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 彭聰;祝夢婷;周乾
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 向妮

本發明公開的基于交叉解耦陷波器的同頻振動力矩分層控制方法，包括：建立強陀螺效應下磁懸浮轉子系統不平衡振動動力學模型；基于磁懸浮轉子系統在徑向扭轉方向的動力學模型，設計磁懸浮轉子系統的同頻振動分層控制方法；通過對磁懸浮轉子系統控制通道的正負頻率特進行分析，給出臨界渦動失穩轉速的解析表達式，以得到低速和高速情況的臨界失穩轉速；對臨界轉速以下和臨界轉速以上的磁懸浮轉子系統的穩定性進行分析，通過調節同頻陷波器的相角使磁懸浮轉子系統在全轉速范圍內穩定懸浮。本發明提出的這種同頻振動力矩分層控制方法，簡化了系統穩定性分析的復雜度和陷波器的設計，對磁軸承飛輪系統的振動抑制具有重要參考意義。

技術領域

本發明屬于航天控制技術領域，特別涉及一種新型復合分層同頻振動力矩控制方法，即基于交叉解耦陷波器的同頻振動力矩分層控制方法。

背景技術

近年來，飛輪大多采用無摩擦磨損和無潤滑的磁軸承支承，可以從根本上解決飛輪支承系統的壽命和可靠性問題。這種支承方法還可以通過主動控制方法抑制不平衡擾動，使得飛輪的高精度控制成為可能。為了減小飛輪質量和體積，磁懸浮轉子通常被設計成扁平結構，因而存在非常嚴重的陀螺效應。由于強陀螺效應，系統的渦動模態會隨著轉速的變化出現頻率分叉，給磁懸浮轉子系統的控制算法設計增加很大的難度。此外，轉子質量的不平衡也會引起同頻振動干擾，這種干擾不可避免地會影響控制性能，甚至會危及系統的穩定性。如何在系統穩定懸浮的基礎上抑制同頻振動干擾成為一個具有挑戰性的問題。

同頻振動的控制方法已經廣泛應用于磁懸浮轉子系統，如構造干擾觀測器來估計和補償振動干擾、采用最小均方(LMS)算法對位移信號進行陷波處理、利用陷波器抑制同頻振動以及用于主動振動控制的復合前饋補償方法。控制方法大致可以分為兩種：一種是不平衡補償方法，通過消除轉子位移中的同頻干擾，迫使轉子圍繞幾何軸旋轉。另一種方法是通過消除同頻力和電流使轉子繞其慣性軸旋轉，稱為自動平衡方法。此外，同頻振動的控制方法還有迭代搜索法，基于模型的自適應控制方法以及基于不平衡量識別的自動平衡法等。對比上述幾種控制方法，基于陷波器的同頻振動抑制方法較為簡單實用，是實際工程中常用的方法。

對于具有陀螺效應的磁懸浮轉子耦合系統，不僅要解決電磁吸力型系統固有的不穩定，還要解決由于強陀螺效應引起的渦動模態失穩問題。工程中常采用分散PID控制器來控制系統的穩定性，但是該方法只能保證低轉速下系統的穩定性。高速時，PID控制器中的積分項會引起系統渦動模態的進動失穩，系統中的其他滯后環節會引起章動失穩，所以僅采用經典PID控制不足以保證磁懸浮轉子耦合系統在全轉速范圍內的穩定懸浮。雖目前已有文章提出采用分散PID加交叉解耦控制器的方法來抑制同頻振動力矩，但在全轉速范圍內均采用交叉解耦控制器，會降低整個系統的穩定性，同時也增加了設計陷波器的難度。

發明內容

為克服現有的磁懸浮轉子系統同頻振動控制方法的不足，提出一種基于交叉解耦陷波器的同頻振動力矩分層控制方法，在臨界失穩轉速節點兩側分別采用分散PID控制器和包含分散PID控制器以及交叉解耦控制器的復合控制方法保證磁懸浮轉子系統的穩定懸浮，并嵌入陷波器算法對系統的同頻力矩進行控制，實現對強陀螺效應下磁懸浮轉子系統的同頻振動力矩的抑制。

本發明所公開的基于交叉解耦陷波器的同頻振動力矩分層控制方法，可用于抑制陀螺效應下的磁懸浮轉子系統的同頻振動力矩。其深入分析不平衡振動的來源，基于磁懸浮飛輪徑在向扭轉方向上的動力學方程建立完整的不平衡振動動力學模型，提出一種基于交叉解耦陷波器的同頻振動力矩分層控制方法。然后通過分析磁懸浮轉子系統控制通道的正負頻率特性，求解復數域下渦動模態臨界失穩轉速的解析表達式。在此基礎上對磁懸浮系統的穩定性及抑制性能進行分類討論。

本發明公開的基于交叉解耦陷波器的同頻振動力矩分層控制方法，具體可包括以下步驟：：

1)建立強陀螺效應下磁懸浮轉子系統不平衡振動動力學模型；

2)基于磁懸浮轉子系統在徑向扭轉方向的動力學模型，設計磁懸浮轉子系統的同頻振動分層控制方法；