[發明專利]一種基于最優阻尼原理的磁懸浮柔性轉子穩定控制方法

有效

• 申請號: 202010793959.0
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN111796524B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 湯繼強;寧夢月;孫津濟;鄭世強;余世城;王浩安
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;賈玉忠

本發明公開了一種基于最優阻尼原理的磁懸浮柔性轉子穩定控制方法。該方法包括：首先通過有限元分析建立磁懸浮柔性轉子系統的動力學模型，再對模型進行不平衡響應分析得到柔性轉子系統的傳遞函數，之后分析磁軸承控制系統在一階柔性模態處取得最優阻尼的條件，并設計相位補償控制器將控制系統的阻尼補償到最佳值，從而實現柔性轉子系統在一階柔性模態下的穩定控制。本發明能夠充分利用磁軸承有限的電磁力，特別適合磁懸浮柔性轉子過一階臨界轉速的穩定控制。

技術領域

本發明涉及磁懸浮轉子控制的技術領域，具體涉及一種基于最優阻尼原理的磁懸浮柔性轉子穩定控制方法，用于磁懸浮柔性轉子系統過一階臨界轉速的穩定控制。

背景技術

磁懸浮轉子是旋轉機械系統的重要環節，隨著工業的發展對旋轉機械提出高效率和高能量密度重大需求，這就要求磁懸浮轉子向著更細、更長、轉速更高的方向發展，轉子工作在一階或多階臨界轉速之上，轉子變成柔性的，柔性轉子在柔曲模態處，會出現共振現象，極易導致轉子碰到保護軸承引起轉子失穩，這直接影響設備壽命和工作安全性。因此為了保證柔性轉子的穩定運行，必須對柔性轉子進行過臨界穩定控制。

相對剛性轉子，磁懸浮柔性轉子之所以對控制系統提出了更大挑戰，主要是因為柔性轉子相對剛性轉子具有寬的多的機械帶寬，這就意味著柔性轉子的高頻固有振動比剛性轉子的高頻固有振動更易于被激發，此外，柔性轉子變形與轉速有著密切關系，所以柔性轉子穩定控制無論在理論上還是技術上都比剛性轉子復雜，是近年來磁懸浮研究領域的難點。

現有的技術中，很多學者將魯棒控制器應用在磁懸浮柔性轉子穩定控制上，其中最典型的代表為H∞控制、μ綜合控制和LQG控制；隨著控制理論的發展，包括滑模控制、神經網絡在內的智能控制方法也被應用到磁懸浮柔性轉子穩定控制上。但是現有技術方法有以下缺點：(1)通常控制器階次較高，需要構建狀態觀測器。(2)過于依賴系統模型的準確度，且算法復雜。

發明內容

本發明的目的：克服現有方法的不足，發明了一種基于最優阻尼原理的磁懸浮柔性轉子穩定控制方法，采用最優阻尼分析和相位補償器實現柔性轉子一階柔性模態下的穩定控制。

本發明的技術解決方案：一種基于最優阻尼原理的磁懸浮柔性轉子穩定控制方法，包括以下步驟：

1、建立磁懸浮柔性轉子系統的動力學模型

將柔性轉子視為由質量連續分布的有限個單元組成的彈性系統，沿軸線將每個質量單元等效為一個節點，從而將整個轉子等效為由n(n8000)個節點組成的彈性系統，根據轉子軸向質量單元受力方式的不同，將這n個等效節點分為兩部分，磁軸承支撐處節點和磁軸承支撐之外節點。以下均有，表示*的一階微分，表示*的二階微分；[*]_i-1表示[*]_i的前一個節點，[*]_i+1表示[*]_i的后一個節點。

首先，分析磁軸承支撐之外節點的動力學方程，在不考慮磁軸承阻尼和剛度的節點i處，不計剪切變形的影響，分析節點i的受力情況：

X方向受力方程：

Y方向受力方程：