双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承负载力矩复合补偿的控制

提出一种基于角速率前馈与力矩观测相结合的磁轴承负载力矩复合补偿控制方法来提高双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子的悬浮精度。建立了双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子动力学模型,分析了内外框架转动情况下的磁轴承负载力矩。分别基于框架角速率前馈和力矩观测设计了磁轴承负载力矩复合补偿控制方法,分析了补偿后系统的稳定性。最后,利用实验室研制的样机搭建试验平台对本文所提出的方法进行了实验验证。结果表明:在框架以角加速度120(°)/s2启动至10(°)/s时,该方法使转子Ax端位移跳动量减小为未补偿前的44.8%;内外框架以幅值频率10Hz正弦激励时,转子Ax、By端的位移跳动量分别减小为未补偿前的23.4%和35.5%。结果显示提出的方法有效地提高了磁悬浮转子在负载力矩扰动下的悬浮精度。     

非线性强陀螺效应磁悬浮转子的解耦控制

针对磁悬浮控制力矩陀螺径向磁悬浮转子强非线性、强陀螺效应耦合对系统稳定性的影响,建立了磁悬浮转子多通道非线性动力学模型与功放模型,分析了磁悬浮转子系统的强陀螺效应耦合性,提出了一种考虑功放环节的α逆系统结合滑模控制器的解耦控制方法,并对其进行了仿真试验。结果表明,该方法对磁悬浮转子系统有良好的解耦效果与鲁棒性。     

提高双框架磁悬浮CMG动态响应能力的磁轴承补偿控制方法与试验研究

针对高动态响应双框架磁悬浮控制力矩陀螺对高速转子悬浮精度的影响,分析磁悬浮高速转子与内、外框架非线性耦合特性,建立内外框架转动时的高速转子动力学模型.该模型在原有陀螺力矩的基础上兼顾转动惯性力矩,考虑到转动惯性力矩中框架角加速度变量在测量过程中存在的不确定干扰和噪声,采用鲁棒H(滤波对内外框架角加速度进行滤波估计;在此基础上,根据力矩补偿控制策略,利用磁轴承控制系统驱动线圈产生相应的电磁力,对转动惯性力矩和陀螺力矩进行补偿控制.试验结果表明,H(滤波对于噪声的不确定性具有良好的鲁棒性,磁悬浮高速转子跳动量减至补偿前的30%以内,提高了磁悬浮系统的稳定性和悬浮精度,改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性.     

磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承的变工作点线性化自适应控制方法

为提高磁悬浮控制力矩陀螺框架高速时的磁悬浮转子系统稳定性,研究磁轴承的电磁力-线圈电流/转子位移非线性的线性化及其控制方法.分析框架转动时的磁轴承工作点变化规律,提出磁轴承力-电流/位移特性基于框架转速的变工作点大范围线性化方法,根据线性化得到的线性变参数模型设计增益调节与前馈控制相结合的控制律,按照框架转速的大小对磁轴承位移刚度的变化进行自适应补偿,在磁悬浮转子稳定前提下使框架转速由6.25(°)/S提高到9.5(°)/S.该方法能有效补偿框架运动时的磁轴承力非线性,大幅提高框架转速较高时的磁悬浮转子系统稳定性.     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的扰动抑制

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素,为了解决以上干扰问题,实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动,并结合自适应反步法获得控制律,其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律,对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确,同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明,采用此复合控制方法,DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%,实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。     

动基座下DGCMG框架伺服系统干扰补偿控制

针对双框架控制力矩陀螺(double gimbal control moment gyro,简称DGCMG)内外框架间的耦合力矩和航天器快速机动带来的牵连力矩引起框架角速率波动问题,建立了动基座下DGCMG框架伺服系统的动力学模型,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,简称ESO)的扰动力矩估计方法。对耦合力矩、牵连力矩等扰动力矩进行估计并采用力矩前馈的方式进行补偿,从而抑制扰动力矩对框架伺服系统控制精度的影响。仿真及实验结果表明,该控制方法能有效抑制由于扰动力矩引起的框架速率波动,提高了框架的速率输出精度。     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的高精度位置控制

在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题,提高转子位置精度,本文分析了转子所受磁力的特性,建立了转子系统非线性动力学模型,提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律,采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型,自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值,同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明,所提出方法的转子位置精度达到99%,稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。     

片状转子磁悬浮控制系统的研究

转子轴向尺寸大幅缩小后形状趋于片状,轴向转动惯量与径向转动惯量之比增大,称为片状转子。片状转子磁悬浮轴承系统因陀螺效应而存在耦合,随着转子转速的升高,耦合现象也随之加强。针对片状转子的数学模型,基于交叉反馈算法,推算了轴向三控制点间的交叉反馈系数,对系统进行Simulink仿真,仿真结果表明以此算法为基础开发的控制系统能够完全消除因陀螺效应产生的耦合作用。实验对比了分散控制系统和交叉反馈解耦控制系统下控制电流和位移的幅值。交叉反馈控制系统下的控制电流和位移有明显减小。     

电磁力超前控制在磁悬浮飞轮中的应用

对于具有强陀螺效应的磁悬浮飞轮系统,在实际运行时其章动与进动模态会对转子高速下的稳定性产生影响,必须有效地对其进行抑制,以使磁悬浮飞轮系统运行到工作转速。传统的PID控制已经难以满足系统的要求。给出了一种新的抑制磁悬浮飞轮章动的方法——电磁力超前控制。这种方法结合位移交叉能同时对章动与进动进行抑制,并且实现简单。对方法的有效性进行了理论分析,并给出了仿真结果及部分试验数据。     

磁悬浮轴承-转子系统的机电耦合动力学模型

对磁悬浮轴承 -刚性转子系统建立了完整的机电耦合动力学模型 ,其中除了人们通常所考虑的陀螺效应外 ,着重考虑和增加了推力磁轴承对转子横向振动的耦合效应和由于轴颈倾斜所引起的径向磁轴承之间的耦合效应 ,以及控制系统的电学微分方程和传感器与磁轴承非共点安装对系统性能所带来的耦合影响。该模型可用于五自由度磁悬浮轴承 -刚性转子系统的机电耦合动力学性能研究     

基于复数相移陷波的磁悬浮转子系统自平衡控制

为抑制磁悬浮转子系统的不平衡振动力,提出了一种基于复数相移陷波器和前馈控制的自平衡控制算法。介绍了磁悬浮转子系统的结构和工作原理,给出了含转子不平衡的磁悬浮转子系统动力学模型,分析了不平衡振动力的电气特性。推导了不平衡振动力的抑制条件,指出功率放大器引起的幅值和相位误差是影响不平衡振动抑制效果的主要因素。将磁悬浮转子两自由度平动方程转换为单自由度复数方程,设计了复数相移陷波器,建立数学方程并讨论了中心频率的幅值和相位特性。最后以磁悬浮控制力矩陀螺为测试平台,对提出的控制算法进行了实验验证。结果表明:采用该算法后不平衡振动力减小了94.1%,验证了该算法的有效性。此外本算法还具有动态过程平滑、计算量少等优点。     

单框架磁悬浮控制力矩陀螺的损耗计算及热-结构耦合分析

为了明确由损耗导致航天器应用中的磁悬浮控制力矩陀螺温升问题,需要对损耗和温度分布进行分析计算。本文针对额定转速12 000 r/m,最大角动量200 N·m·s的单框架磁悬浮控制力矩陀螺,通过建立理论模型进行分析计算,得到了框架力矩电机、径向磁轴承、轴向磁轴承和转子高速电机的铁损以及铜损;对陀螺三维有限元模型进行了热场仿真分析,得到在各类损耗影响下的温度分布,并进行了热-结构耦合仿真分析。分析得到最大温度位于高速电机定子,最大温度是48.3℃;最后,进行了样机温升实验验证,检测温度最大值位于高速电机定子,最大值为51.8℃,与计算值误差为6.8%。通过温升检测实验验证了损耗计算和有限元热场分析。实验结论为整体结构优化提供了理论参考。     

人工心脏泵磁悬浮转子非线性特性及控制方法研究

引入滑动模态变结构控制，对转子转速大于6000r／min时转子产生的颤振及转子在强干扰下产生的新的平衡位置等非线性效应进行控制。以轴向为例取切换函数，滑动模态按指数律趋向原点，推导出了等效控制方程。用电锤给轴向磁悬浮转子施加冲击干扰，观察变结构控制的结果，发现系统在短暂调整后即恢复平衡位置，渐近稳定，说明采用变结构控制的适应性较好。利用变结构控制对内部参数变动和外部扰动作用不变这一显著特点，可有利于控制血液应力及粘弹性等非线性因素造成的转子扰动，从而使得系统数学模型的不准确性、实际系统的不确定性及镇定的复杂性得以解决。     

电磁轴承-刚性转子系统轴承传递力主动控制

针对电磁轴承支承的刚性转子系统轴承传递力的主动控制,分析了轴承传递力的组成,基于一种变步长三角形迭代搜寻算法辨识出转子位移中同频分量的方法构建了零电流控制及零传递力控制策略,分别在恒定转速和匀加速运动过程中对两种控制策略的有效性进行了仿真分析,最后在某磁悬浮高速飞轮储能系统上进行了试验验证。理论与试验结果表明,零电流控制策略能对绝大部分轴承传递力进行抑制,零传递力控制策略能对轴承传递力进行完全消除。     

基于平均功率平衡控制的磁悬浮分子泵电力失效补偿方法

高速磁悬浮涡轮分子泵（Turbo Molecular Pump, TMP）因其高能量密度、微振动、无需润滑等优点被广泛应用于工业领域,但外部电源失效时,高速转子跌落后与保护轴承产生剧烈撞击和摩擦,将给系统带来致命损害。针对以上问题,提出一种基于平均功率平衡法的电力失效补偿控制（Power Failure Compensation Control, PFCC）方法。首先,设计电机能量回馈电路;其次,对Buck-Boost变换器进行数学建模,设计一种双环非线性控制器,其中电流内环使用滑模控制,电压外环使用平均功率平衡控制（Average Power Balance Control, APBC）,并利用Lyapunov函数推导出系统的稳定性条件;最后,通过搭建磁悬浮分子泵PFCC实验平台,对所提出的方法进行实验验证。结果表明：本文所提出的方法具有快速响应和输出鲁棒性,磁悬浮转子由额定转速21000 r/min降至3900 r/min时跌落,电机能量转化效率为96.6%,提高了磁轴承系统的安全性。     

主被动磁悬浮转子的不平衡振动自适应控制

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺转子高速旋转时产生的不平衡振动,提出了基于滑模观测器和陷波器的主被动磁悬浮转子不平衡振动自适应控制方法。该方法采用滑模观测器使同频振动的控制不受磁轴承的刚度参数摄动和磁力耦合的影响,将滑模观测器与陷波器结合,无需区分电流刚度力和位移刚度力,无需设计算法补偿功率放大器的影响,可自适应消除不平衡振动。对该方法进行了仿真和实验验证。仿真结果显示该方法可使同频轴承力大幅减小;实验结果显示,虽然主被动磁悬浮转子的被动轴承不可控,同频振动仍由0.053g减小为0.012g,减小了77%。得到的结果表明,该方法不仅适用于主被动磁悬浮转子,也适用于全主动磁悬浮转子。     

基于双频Bode图的磁悬浮控制力矩陀螺转子弹性自激振动抑制用陷波器设计

由于强陀螺效应和控制系统的高频滞后,磁悬浮控制力矩陀螺转子存在高频弹性自激振动,需要采用陷波器（Notch Filter－NF）进行相位校正和抑制,但是目前仍然缺乏有效的NF参数设计方法。本文提出一种基于双频Bode图的NF参数设计方法,采用双频Bode图分析转子弹性模态稳定性,得出不同转子转速下对NF相位校正角的要求,然后在保证转子章动稳定性的前提下优化设计NF参数。采用该方法设计的NF有效抑制了转子的弹性自激振动,使所研制的磁悬浮控制力矩陀螺稳定升速到20000r/min,验证了该方法的实用性和有效性。     

高速大惯量磁悬浮转子系统章动交叉控制的保相角裕度设计

研究了章动交叉反馈校正的参数设计方法。针对大惯量高速磁悬浮转子支承系统,采用双频Bode图进行章动稳定性分析。在此基础上,提出一种基于双频Nyquist曲线的交叉参数保相角裕度设计方法。在给定相位超前角的情况下,通过矢量合成确定章动交叉的比例系数和高通滤波器截止频率,实现了章动交叉反馈的鲁棒稳定设计。设计的交叉控制器使研制的磁悬浮控制力矩陀螺转子临界稳定转速由10 500 r/min提高到20 400 r/min。试验结果表明,保相角裕度方法为交叉反馈校正提供了有效的参数设计手段。