主动电磁轴承–刚性转子系统PID控制器设计方法

PID控制策略简单、物理含义明确且适用性强,在主动电磁轴承(active magnetic bearing,AMB)系统中得到广泛应用。但是如何设计和调整控制器参数是一个实际问题。该文首先基于四自由度AMB-刚性转子系统的等效平面转子模型,给出一种简单可行的PID参数整定及设计方案。然后,在PID控制下定义AMB的等效刚度和等效阻尼,并在PD控制下分析偏置电流对AMB等效刚度和等效阻尼以及转子系统临界转速的影响,通过设置"自然"刚度和"自然"阻尼并结合P与D参数对系统临界转速以及鲁棒性的影响,完成PD参数的整定及设计,并对I参数的选择做简要分析。在一个AMB转子系统上进行数值仿真和实验,结果表明按照该文提出的PID参数整定及设计原则设计的PID控制器不仅能够使转子系统实现稳定悬浮,而且还能够使转子以较小的振动通过其刚体临界转速,实现转子在0～14000r/min转速范围内的稳定运行。     

基于干扰观测器和变极性跟踪滤波器的磁悬浮高速电机刚性转子振动抑制

针对主动电磁轴承(active magnetic bearing,AMB)刚性转子系统在全转速范围内的不平衡振动控制,提出一种基于干扰观测器和变极性跟踪滤波器的振动抑制方法。虽然在AMB刚性转子系统刚体临界转速区间前/后分别采用变极性跟踪滤波器(polarity switching tracking filter,PSTF)可以降低转子在刚体临界转速区间前后的振动,但在刚体临界转速区间内,转子的振动明显增大,甚至导致系统失稳。因此,将刚体临界转速区间内的转子振动看成一种干扰,引入干扰观测器(disturbance observer,DO)将转子的振动信息观测出来,实现基于跟踪滤波器的全转速范围内的转子振动抑制。最后,仿真和实验结果说明不同工况下基于干扰观测器和变极性跟踪滤波器的振动抑制方法能有效地抑制转子系统全转速范围内的同频扰动。     

基于变角度搜索算法的磁悬浮高速电机刚性转子系统的不平衡补偿方法

为降低主动磁轴承(active magnetic bearing,AMB)刚性转子系统的同频不平衡振动,通常采用基于陷波器的不平衡补偿方法,若要实现全转速范围内的振动抑制,需要对传统陷波器结构进行改进,但改进后的滤波器会对系统的稳定性产生影响。为避免此问题,该文提出基于定角度搜索和变角度搜索算法的AMB刚性转子系统不平衡振动抑制方法,直接根据转子实时振动大小产生控制信号的方法来实现不平衡补偿。定角度搜索算法设计简单,但是搜索角度单一,搜索规则固定,往往不能快速地搜索到目标值。进而对定角度搜索算法的搜索角度进行改进,使其可以根据转子实时振动在线调整,即进一步设计了变角度搜索算法。由于变角度搜索比定角度搜索算法的搜索过程更加灵活,因此AMB刚性转子系统的不平衡振动可以快速得到抑制。这种算法既不需要对陷波器结构进行改进,也不需要在转子临界转速前后对陷波器极性进行切换。     

大功率高速永磁电机柔性转子系统模态分析

高速电机的转速高、转子细长,与常速电机相比接近临界转速的可能性大大增加,当电机额定转速接近临界转速时,电机会发生剧烈的振动,甚至使转子损坏。大功率高速电机的转子长度远远大于转子直径,很难设计为刚性转子,需要穿越1阶临界转速,工作在1阶临界转速和2阶临界转速中间的安全区域,而这个安全区域的范围却很小,这对大功率高速电机转子系统的动力学设计带来了极大的困难。基于一台1.12MW、18 000r/min的高速永磁电机,对转子系统的动力学特性进行理论分析,对有叶轮和无叶轮状态下的转子模态和临界转速进行计算,分析轴承支承刚度、陀螺效应以及转子主要尺寸对临界转速的影响,并通过样机进行了实验验证,总结了相应的规律,为大功率高速电机挠性转子的设计提供了参考。     

抑制转子振动

应用固定拱型径向轴承的机组,当转子存在严重失衡时,会导致破坏性的转子分频谐共振。早在1895年盖斯塔夫·狄拉瓦首先确认,汽轮机可以在转子最低共振转速即第一阶临界转速之上可靠运行。至今,大容量汽轮发电机组,几乎都在几阶临界转速之上运行,尤其是转速为3600转/分的机组更是普遍如此。现在的径向轴承的结构,以及关于柔性转子找平衡的新技术措施,能使这些机组在启停机过程中,振动稍有增大就可通过各阶临界转速。超临界转速运行机组的主要可靠     

双定子单转子旋转型行波超声电动机转子的优化设计

针对双定子单转子旋转型超声电动机工作时定、转子接触面积过小的问题,对电机转子进行柔性设计;采用有限元法建立定转子接触模型,进行静力学和动力学分析;得到了转子的接触压力分布和电机的转矩-转速特性,并与刚性转子进行比较;结果表明,柔性转子在性能上优于刚性转子。仿真结果对双定子单转子旋转型超声电动机的设计具有重要指导意义。     

基于主动电磁控制的滑动轴承-转子系统自激振动抑制数值仿真

本文以滑动轴承支承的柔性转子系统为研究对象,仿真模拟实际机组高速旋转时滑动轴承-转子系统的自激振动情况。首先,基于有限元法建立单圆盘转子动力学模型,轴承非线性油膜力模型采用短轴承油膜力模型,主动电磁控制采用闭环控制策略,通过PID控制器参数得到其等效的刚度和阻尼;然后,采用四阶龙格-库塔法求解转子系统动力学模型,通过对转子施加主动电磁控制抑制其发生自激振动,对比分析转子升速过程中未采用主动电磁控制和采用主动电磁控制时轴承处的振动变化情况。仿真结果表明:未采用主动电磁控制时,自激振动发生在约2倍的一阶临界转速附近,而采用主动电磁控制不但降低了过临界时的振动幅值,还有效抑制了自激振动的发生。     

多自由度永磁同步电机转子动力学特性分析

多自由度永磁同步电机含有球壳型转子,电机额定转速接近临界转速时,电机会产生多重共振,影响电机正常运行;电机转子转速需穿越1阶模态的临界转速,工作在1阶模态临界转速和2阶模态临界转速之间的安全范围。根据转子系统动力学特性,建立自由状态下的转子数学模型,对有限元法与解析法进行对比分析;分析了转子陀螺效应对临界转速的影响,并进行了转子轴承刚度对临界转速是否有影响的有限元验证;测试了不同转子轴承刚度情况下,弯曲模态与形变位移之间的关系;通过实验验证球形转子的转速与振幅之间的关系,总结出相应的规律,为该类电机的优化设计和控制提供了理论依据和数据。     

永磁同步电机调速系统自抗扰控制器的设计北大核心

将自抗扰控制器(ADRC)运用到永磁同步电机(PMSM)调速系统控制中。电流环采用一阶非线性自抗扰控制器(NLADRC)抵消电流环反电势的影响,减小电流跟踪误差和相电流总谐波畸变(THD);转速环采用一阶线性自抗扰控制器(LADRC)对负载转矩和黏滞摩擦进行补偿,提高系统转速稳定性;最后利用基于带宽的参数整定公式整定控制器参数。仿真和实验结果表明系统具有良好的转速稳定及抗负载扰动能力,验证了控制器设计的有效性。     

永磁同步电机调速系统自抗扰控制器的设计

将自抗扰控制器(ADRC)运用到永磁同步电机(PMSM)调速系统控制中。电流环采用一阶非线性自抗扰控制器(NLADRC)抵消电流环反电势的影响,减小电流跟踪误差和相电流总谐波畸变(THD);转速环采用一阶线性自抗扰控制器(LADRC)对负载转矩和黏滞摩擦进行补偿,提高系统转速稳定性;最后利用基于带宽的参数整定公式整定控制器参数。仿真和实验结果表明系统具有良好的转速稳定及抗负载扰动能力,验证了控制器设计的有效性。     

考虑转速滤波的永磁同步电动机转速伺服系统改进型自抗扰控制器

在永磁同步电动机伺服系统中,通常根据位置信号采用M法计算转速。由于位置信号存在量化误差等原因,计算转速存在测量噪声,因此常将滤波后的转速作为反馈。在传统的转速一阶自抗扰控制系统中,自抗扰控制器的设计过程并未考虑转速滤波环节的影响,这将使系统性能受滤波时间常数的影响。提出一种考虑反馈转速滤波环节的改进型自抗扰控制器,将滤波后的转速扩张为一个新状态量,利用三阶线性扩张状态观测器估计滤波之前的转速量,并将其作为反馈。实验结果表明,改进型自抗扰控制系统具有较好的控制性能。     

基于特征结构配置的电磁轴承高速电机刚性转子系统鲁棒输出反馈控制器的设计

特征结构配置法直接建立反馈控制器参数与闭环系统特征结构之间的联系,物理意义明确且适用性强,在飞行器、振动主动控制等对象的控制器设计中得到广泛的应用。针对电磁轴承(activemagneticbearing,AMB)高速电机刚性转子系统,提出一种基于特征结构配置的鲁棒输出反馈控制器的设计方法。首先,引入交叉微分反馈,建立两自由度简化转子模型。然后,给出特征结构配置的具体步骤,并从稳定性和动态性能、偏置电流变化对系统性能的影响、不平衡振动响应以及控制能量这4个角度选择优化目标以设计鲁棒比例微分控制器。最后,进行数值仿真和实验,发现鲁棒输出反馈控制下的AMB转子系统不仅能够在不同偏置电流条件下0.1s内快速起浮,而且在全转速范围内最大振幅不超过0.04mm,远小于转子与保护轴承之间的径向间隙,验证该控制器的有效性。     

并联混合型有源电力滤波器的线性自抗扰控制及稳定性分析

建立了一种适用于中高压系统的并联混合型有源电力滤波器的一阶数学模型,在其状态空间模型基础上设计了用于状态观测和扰动估计的线性扩张状态观测器及误差反馈控制律,考虑到时滞对象本身就反应迟缓,去掉跟踪微分环节,从而建立了用于电流跟踪的一阶线性自抗扰控制器。通过李亚普诺夫稳定性理论分析了采用一阶线性自抗扰控制器时并联混合型有源电力滤波器的稳定性,得出系统是渐进稳定的,也是工程意义上稳定的。将一阶线性自抗扰控制器应用于某10 kV线路下并联混合型有源电力滤波器的电流跟踪控制进行仿真研究,结果表明线性自抗扰控制器能够很好的处理超调和快速性之间的矛盾,性能优于传统的PI控制器,验证了基于线性自抗扰控制策略的有效性。     

电磁轴承高速电机转子系统的内模-PID控制

PID控制是电磁轴承(AMB)高速电机转子系统最基本的控制算法,但PID参数的整定困难。为了减小PID参数整定的难度,将内模控制(IMC)与PID控制相结合,该文设计IMC-PID控制器,将三个参数的整定问题减少到一个参数。然后,分析该参数对系统的稳定性、抗干扰能力、最大振幅以及临界转速的影响,给出了其选取的原则。最后,分别在单自由度磁悬浮系统和四自由度AMB高速电机转子系统上对IMC-PID控制器进行了仿真,并在AMB高速电机平台上进行试验。仿真和试验结果均表明,IMC-PID控制方法具有良好的控制性能和较强的鲁棒性。     

基于四因子变极性控制的磁悬浮高速电机刚性转子同频振动抑制

变极性切换控制(polarity switching control,PSC)可有效降低主动电磁轴承(active magnetic bearing,AMB)高速电机刚性转子系统在刚体平动模态前后的同频不平衡振动,而且通过引入干扰观测器可降低极性切换瞬间对系统产生的冲击。然而,当刚体锥动模态也存在时,简单PSC已不能保证AMB刚性转子系统在包括刚体平动模态和刚体锥动模态在内的全转速范围的同频不平衡振动抑制,而且系统的稳定性也会发生变化。为了抑制AMB刚性转子系统在全转速范围内的不平衡同频振动,提出一种基于四因子变极性控制(4-factor polarity switching control,4-FPSC)的同频不平衡振动抑制方法。4-FPSC需要调节4个极性因子,采用2次PSC,分别抑制2个刚体模态各自前后的同频不平衡振动,而且切换瞬间不会对系统产生冲击,避免干扰观测器的设计。仿真和实验结果证明基于4-FPSC的同频振动抑制方法能有效地抑制AMB刚性转子系统在包括2个刚体模态在内的全转速范围的同频不平衡振动。     

自抗扰控制器在无刷直流电机控制系统中的应用

为提高控制系统的动态性能和鲁棒性,设计了无刷直流电机自抗扰控制方案.自抗扰控制器利用其内部的扩张状态观测器估计系统的内外扰动,据此将电机等效为由两个非线性系统构成的串联对象,然后设计两个一阶自抗扰控制器实现对电机的内、外环控制,内环控制电流,外环控制转速.实验结果表明,自抗扰控制器对电机模型的不确定性和外部扰动变化具有较强的适应性和鲁棒性.控制系统具有优良的动态性能.     

防爆电动机转子系统临界转速分析

采用传递矩阵法对YB2电动机转子系统进行了分析,详细地阐述了复杂转子结构的模型等效方法和数值处理过程,该转子的临界转速计算结果表明设计的转子一阶临界转速接近工作转速而可能引起共振,建议将该轴转子长度改短和增加轴颈,提高其一阶临界转速。     

基于降阶状态观测器的压水堆功率自抗扰控制

压水堆是高度非线性、参数时变,并存在较大不确定性的被控对象,工程应用要求其控制器鲁棒性好,抗扰能力强,结构简单,参数整定方便。根据上述需求,文中给出了一种基于线性自抗扰控制的压水堆功率控制器设计方法。首先基于压水堆非线性模型推导出了用于控制器设计的相对功率的二阶非线性模型。然后设计了两种基于降阶扩张状态观测器的压水堆功率线性自抗扰控制策略,即没有模型信息和利用模型信息的情况。并运用变量代换方法避免了观测器要求输入功率的导数项,使其工程实现更容易。仿真结果表明,所设计的两种控制器均具有良好的跟踪性能和抗干扰能力。在模型引入参数时变、参数摄动、未建模动态情况下,均能取得较好的控制品质。但充分利用模型信息时控制性能和性能鲁棒性更佳。     

基于LADRC的三相四线制并联型有源电力滤波器系统分析

为改善三相四线制有源电力滤波器控制器的动态响应速度和性能,首先建立了一种典型三相四线制并联型有源电力滤波器(SAPF)的数学模型;然后设计了1阶线性自抗扰控制器(LADRC)对其进行控制;最后利用经典控制理论在频域对2阶线性扩张状态观测器的收敛性进行了分析;推导了基于1阶线性自抗扰控制器的三相四线制并联型有源电力滤波器系统的抗扰特性和稳定性问题。仿真结果表明,此控制方案优于传统比例–积分–微分控制器,具有良好的跟踪效果和抗扰特性。     

大型转子临界转速下现场动平衡试验

汽轮机转子在通过临界转速时会出现强烈振动,当不平衡量超过标准时导致停机。为了使机组能顺利启动,应对转子临界转速下的动平衡给予足够重视。介绍了转子的临界转速、振动特点及测量方法,分析了影响临界转速下振动响应的主要因素,给出了汽轮机转子临界转速下的动平衡试验方法,并得出相应结论,对今后的临界转速下转子的动平衡试验具有重要意义。