[發明專利]基于滾動時域估計的磁懸浮轉子振動補償控制方法及系統

有效

• 申請號: 201910890690.5
• 申請日: 2019-09-20
• 公開（公告）號: CN110531626B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 紀歷;普月;魏凱龍
• 申請（專利權）人: 河海大學;浙江中源磁懸浮技術有限公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發明公開了基于滾動時域估計的磁懸浮轉子振動補償控制方法及系統，所述方法包括以下步驟：采集磁懸浮轉子位移電壓信號并傳送給滾動時域估計；通過滾動時域估計器計算出狀態估計值和擾動估計值；將擾動估計值傳送至滾動時域控制器得到優化控制序列；基于滾動時域軌跡的磁懸浮轉子振動補償控制系統，將優化控制序列與參考位置比較，并將比較值傳送至磁軸承線圈；提高了精確估計磁懸浮系統中存在的各種擾動和不確定因素，可以取得比傳統PID控制更好的魯棒性。

技術領域

本發明涉及基于滾動時域估計的磁懸浮轉子振動補償控制方法及系統，屬于磁懸浮轉子系統技術領域。

背景技術

目前，電磁軸承利用電磁力把轉子懸浮在期望位置，以得到與傳統機械軸承相類似的支承效果，具有無摩擦發熱、無需潤滑，壽命長等特點，已被廣泛應用于渦輪分子泵、透平壓縮機、飛輪儲能等工業領域。然而由于材質不均勻、加工誤差、變形等原因，其質量中心與幾何中心之間總是存在著一定的偏差，稱為質量不平衡，在轉子的旋轉過程中，轉子的質量不平衡將產生一個與轉速同頻的不平衡激勵力，導致轉子產生同頻振動。同時，由于電磁激勵(Magnet Runout)及傳感器位置轉子表面圓度誤差(Sensor Runout)等因素的存在，還將導致磁懸浮轉子產生復雜的倍頻振動。不平衡振動不僅影響轉子的旋轉精度和穩定性，還會通過軸承傳遞給基座，嚴重時會導致設備損壞甚至整個系統崩潰。

磁懸浮電機不平衡振動的抑制方法一直是磁懸浮領域的研究熱點，當前的振動抑制策略主要針對由轉子質量不平衡力引發的同頻振動，且主要有兩種形式：一類是自動平衡方式，其思路是消除磁懸浮軸承對同頻振動的控制力，從而使轉子圍繞其慣性軸旋轉。此種自平衡方式的目的是防止不平衡力通過磁懸浮軸承傳遞到定子部分引起基座振動，而磁懸浮轉子本身的偏心量較不補償時則有可能擴大，這將導致電磁不平衡拉力增大，兩者形成正反饋，嚴重時將致使磁懸浮系統失穩。

另一類方式稱為不平衡補償，其基本思想是增加控制器的輸出，使得磁懸浮軸承產生額外的電磁力來抵消不平衡擾動，抑制轉子的同頻振動、使其圍繞幾何軸旋轉。目前主要針對轉子的質量不平衡力進行補償，然而磁懸浮轉子系統中不止存在質量不平衡力，還存在電磁不平衡拉力以及功放變頻器引入的高次諧波與測量噪聲等等。傳統方法不能處理這些擾動。

滾動時域估計(Moving Horizon Estimation，MHE)是近年來出現的一種新型的估計方法，其基本思想是將系統狀態估計轉化為固定時域長度的優化問題，從而使顯式處理系統約束成為可能。這種估計方法充分利用以約束形式出現的關于系統狀態和干擾的已知信息，用其來估計磁懸浮系統中的各種不平衡擾動，理論上具有很高的準確性。而然這種方法并不成熟，算法中到達代價函數的推導以及穩定性的分析比較困難，目前沒有在磁懸浮轉子振動補償領域應用的先例。

發明內容

本發明的目的在于提供基于滾動時域估計的磁懸浮轉子振動補償控制方法及系統，以解決現有技術中導致的磁懸浮轉子系統中不止存在質量不平衡力，還存在電磁不平衡拉力以及功放變頻器引入的高次諧波與測量噪聲的缺陷。

一種基于滾動時域估計的磁懸浮轉子振動補償控制方法，所述方法包括以下步驟：

通過滾動時域估計器從檢測到的轉子位移信號中計算出狀態估計值和擾動估計值；

以狀態估計值與將擾動估計值為輸入，通過滾動時域控制LQ控制得到優化控制序列；

將得到的控制序列經功率放大器轉換為電磁鐵的控制電流，進而控制轉子位置，實現穩定懸浮。

優選地，所述擾動估計值的計算方式如下：

構建滾動時域的估計器，以磁懸浮轉子的動力學模型為基礎構建狀態空間方程：