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1、柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子的控制算法研究第一章緒論1.1引言磁力軸承是利用電磁鐵產(chǎn)生電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮并高速旋轉(zhuǎn)的一種新型高性能軸承[1]，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，綜合了計算機(jī)學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、電子學(xué)和控制工程等多種學(xué)科[2]。磁力軸承不僅為旋轉(zhuǎn)機(jī)械提供了無機(jī)械磨損運(yùn)行，還能夠?qū)崿F(xiàn)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下對轉(zhuǎn)子動力學(xué)行為的主動控制，被廣泛應(yīng)用于軍事、航天、國防、真空技術(shù)、機(jī)床等各個領(lǐng)域。人們?yōu)榱藢崿F(xiàn)物體穩(wěn)定無接觸懸浮，經(jīng)過了很多探索和努力。曾經(jīng)采用永久磁鐵試圖使物體穩(wěn)定懸浮，但沒有取得成功。英國劍橋大學(xué)的S.Earnshaper）提出采用可控電磁鐵產(chǎn)生可控電磁力，根據(jù)
2、物體懸浮的位置和狀態(tài)連續(xù)不斷的調(diào)節(jié)磁場，使物體能夠穩(wěn)定自由的懸浮[4]。同年，肯珀進(jìn)行了相關(guān)實驗，采用可控電磁鐵使210Kg的物體穩(wěn)定懸浮在氣隙為15mm的空間位置。在實驗過程中，采用了電子管放大器和非接觸式電容式或電感式傳感器來構(gòu)建控制系統(tǒng)，磁懸浮列車的出現(xiàn)就是以這一實驗為基礎(chǔ)的。現(xiàn)代磁懸浮技術(shù)開始于1957年。當(dāng)年，法國Hispano-Suiza公司首次提出了利用電磁鐵和感應(yīng)傳感器構(gòu)成主動全懸浮系統(tǒng)的設(shè)想并取得了法國專利[5]。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，美國的NASA系統(tǒng)對應(yīng)用在衛(wèi)星飛輪上的混合磁懸浮軸承進(jìn)行了設(shè)計與研究。從此以后，國防、軍事、航天等很多領(lǐng)域都迅
3、速開始使用磁懸浮技術(shù)。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，對磁懸浮系統(tǒng)采取的控制策略已經(jīng)從單自由度控制向多自由度控制轉(zhuǎn)變，但這一時期的研究還存在很多問題，主要表現(xiàn)在：忽略了磁懸浮系統(tǒng)的陀螺效應(yīng)；把轉(zhuǎn)子等效為剛體；雖然建立的數(shù)學(xué)模型是多輸入多輸出的，但是仍然忽略了磁懸浮系統(tǒng)中各個自由度中的耦合作用，采用單自由度控制策略。.1.2磁懸浮系統(tǒng)相關(guān)控制策略磁懸浮系統(tǒng)是一個典型的本質(zhì)非線性和開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，對磁懸浮系統(tǒng)實施有效的控制是磁懸浮技術(shù)應(yīng)用過程中需要解決的關(guān)鍵問題，因此研究磁懸浮系統(tǒng)的相關(guān)控制算法具有重要意義。由于傳統(tǒng)的控制算法是基于平衡點的磁懸浮系統(tǒng)線性化模型，因此所設(shè)計的
4、控制器只能在系統(tǒng)平衡點附近的小范圍內(nèi)產(chǎn)生控制效果，一旦系統(tǒng)受到較大的外部干擾，將導(dǎo)致被懸浮對象較大的偏離平衡點，系統(tǒng)的非線性特性將導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)從而使被懸浮對象懸浮失敗。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，磁懸浮控制算法不僅僅局限于傳統(tǒng)PID控制算法，各種先進(jìn)的控制算法例如滑模控制、H∞控制、非線性控制和模糊控制等也被應(yīng)用于磁懸浮控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速低于最低彎曲臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子通常稱為剛性轉(zhuǎn)子。這類轉(zhuǎn)子的不平衡動力響應(yīng)的理論和動平衡技術(shù)都比較簡單，可以忽略由不平衡力引起的轉(zhuǎn)子撓曲變形[6]。國內(nèi)外的學(xué)者對剛性磁懸浮轉(zhuǎn)子的控制策略的研究已經(jīng)趨于成熟。2003年，美國北卡羅萊
5、納州立大學(xué)NathanS.Gibson等提出了一種用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識主動磁力軸承不確定性的H∞控制方法[7]。2008年，德黑蘭塔比阿特莫達(dá)勒斯大學(xué)FatemehJamshidi等提出了用于徑向主動磁力軸承系統(tǒng)的動態(tài)輸出反饋H2/H∞性能綜合的優(yōu)化設(shè)計方法[8]。2010年，印度VignanUniversity的研究人員Polamraju.V.S.Sobhan等設(shè)計了一個主動磁懸浮支承系統(tǒng)的閉環(huán)分散式模糊控制器[9]。2010年，印度學(xué)者P.S.V.Nataraj用定量反饋理論的新方法(QFT)設(shè)計了一個二自由度魯棒磁懸浮控制器[10]
6、。2010年，韓國延世大學(xué)DongHu;綜合控制器，使柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子越過了一階臨界轉(zhuǎn)速[23]?？偨Y(jié)以上成功使柔性轉(zhuǎn)子越過臨界轉(zhuǎn)速的例子發(fā)現(xiàn)：通過改變控制算法或者控制參數(shù)是可以使柔性轉(zhuǎn)子越過臨界轉(zhuǎn)速的，其本質(zhì)就是改變了越過彎曲臨界轉(zhuǎn)速時磁懸浮系統(tǒng)的支承剛度和阻尼，改變轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性，從而減小了轉(zhuǎn)子的振動。本章主要將傳統(tǒng)PID控制算法、模糊PID控制算法和單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法應(yīng)用于柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子的聯(lián)合仿真模型，并對三種控制算法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，為柔性轉(zhuǎn)子越過臨界轉(zhuǎn)速提供一定的技術(shù)參考。.總結(jié)本論文研究工作主要有以下幾個方面：（1）根據(jù)磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)
7、的工作原理，推導(dǎo)出磁懸浮系統(tǒng)的等效支承剛度和阻尼，分析表明磁懸浮系統(tǒng)的支承剛度和阻尼不僅僅取決于磁懸浮系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)還取決于其控制系統(tǒng)，且可以通過控制算法改變磁懸浮軸承的支承剛度和支承阻尼使柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子越過臨界轉(zhuǎn)速。（2）詳細(xì)介紹磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，為建立柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)聯(lián)合仿真模型做好了準(zhǔn)備。（3）在ADAMS/Flex柔性體理論的基礎(chǔ)上，在ADAMS軟件中導(dǎo)入ANSYS模態(tài)中性文件對柔性轉(zhuǎn)子進(jìn)行了模態(tài)分析，掌握各個模態(tài)的振型和固有頻率，為柔性轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)行提供依據(jù)。（4）在ADAMS中建立柔性轉(zhuǎn)子的機(jī)械模型，施加相應(yīng)的約束和載荷
8、，并定義系統(tǒng)的輸入和輸出
