[發明專利]磁懸浮軸承多模型魯棒無擾動切換控制方法

有效

• 申請號: 201810817851.3
• 申請日: 2018-07-20
• 公開（公告）號: CN108828951B
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發明（設計）人: 徐園平;周瑾;金超武
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 32249 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 王路

本發明公開了一種磁懸浮軸承多模型魯棒無擾動切換控制方法，包括以下三個步驟：步驟一，區間不確定性度量，獲得轉速范圍內的不確定性映射度量值；步驟二，區間魯棒控制器設計，根據不同轉速范圍內的獲得的不確定性映射度量值，基于魯棒控制理論，設計不同轉速下的魯棒控制器，將魯棒控制器轉換為狀態空間方程表達形式；步驟三，通過切換控制裝置進行無擾動切換控制。本發明公開的一種磁懸浮軸承多模型魯棒無擾動切換控制方法，可有效解決不同控制器切換過程中存在不穩定及抖振現象。

技術領域

本發明公開了一種磁懸浮軸承多模型魯棒無擾動切換控制方法，屬于磁懸浮軸承技術領域。

背景技術

隨著磁懸浮軸承旋轉機械正向高轉速、輕結構、大跨度和柔性方向發展，磁懸浮軸承旋轉機械對整機性能指標要求越來越高。作為其核心支承部件，磁懸浮軸承工作轉速要求每分鐘幾千轉到數十萬轉的范圍內變動。因此在整個升速、降速過程中，轉子系統要跨越數個模態頻率，陀螺力矩影響隨著轉速的升高不斷增加，轉子系統的動態特性在大轉速范圍內變化過程中急劇變化。而現有的磁懸浮軸控制器的設計中，大多都忽略時變陀螺矩陣，根據線性時不變系統假設而設計對應的控制器。

魯棒控制策略是將線性時變的陀螺矩陣作為系統的不確定性進行考慮，這種方法在陀螺效應沒有急劇變化時是有效可行的。但是從低速到超高速整個升速過程中，根據單一模型所設計的單一的魯棒控制由于具有較大的保守性，實踐中面臨諸多挑戰。多模型多控制器切換控制策略是利用多個模型來逼近系統的動態特性，并且基于多個模型設計出多個控制器。這種控制器對復雜系統能達到較好的控制精度、跟蹤速度以及穩定性，但不同控制器切換過程中存在不穩定及抖振現象。

發明內容

發明目的：本發明針對單一模型所設計的單一的魯棒控制由于具有較大的保守性，實踐中面臨諸多挑戰的缺點；而多模型多控制器切換過程中存在不穩定及抖振現象的缺點，提出了一種磁懸浮軸承多模型魯棒無擾動切換控制方法，可有效解決不同控制器切換過程中存在不穩定及抖振現象。

技術方案：

一種磁懸浮軸承多模型魯棒無擾動切換控制方法，包括以下三個步驟：

步驟一，區間不確定性度量，

(a)、在懸浮狀態下，建立磁懸浮軸承柔性轉子的動力學方程，

(b)、獲得轉子模型狀態空間，對應得到轉子模型傳遞函數，

(c)、建立電控系統傳遞函數，聯立轉子模型傳遞函數，獲得柔性轉子磁懸浮軸承機電一體化模型傳遞函數，

(d)、根據柔性轉子磁懸浮軸承系統運行情況，設定轉速范圍，將在不同轉速范圍內相應轉速下限處的系統模型作為名義模型，

(e)、以轉速為變量，計算兩模型在Nyquist曲線上的映射度量，獲得轉速范圍內的不確定性映射度量值；

步驟二，區間魯棒控制器設計，根據不同轉速范圍內的獲得的不確定性映射度量值，基于魯棒控制理論，設計不同轉速下的魯棒控制器，將魯棒控制器轉換為狀態空間方程表達形式；

步驟三，通過切換控制裝置進行無擾動切換控制。

進一步地，步驟一(a)中，磁懸浮軸承柔性轉子的動力學方程如下：

式中，M_R，C_R，G_R，K_R分別表示轉子質量矩陣，轉子結構阻尼矩陣，陀螺效應矩陣，轉子剛度矩陣，Ω表示轉子工作轉速；q分別為轉子的運動加速度、速度與位移；k_x與k_i為磁懸浮軸承的自身系數。

進一步地，步驟一(b)中，轉子模型狀態空間為：

令