主动磁力轴承模糊控制的相关理论与技术研究

发布时间：2020-06-04 05:05

【摘要】： 主动磁力轴承(简称磁力轴承)是利用电磁力使转轴稳定悬浮的一种新型轴承,具有许多传统机械轴承无法比拟的优点,比如:无接触、无摩擦、高速运行等。但它是一个非线性和开环不稳定的系统,对控制系统的依赖性很大。本文重点研究主动磁力轴承的模糊建模与模糊控制,主要做了以下几个方面的工作。分析了磁力轴承PID控制算法和改进PID算法,给出了PID控制参数整定的原则;讨论了基于Simulink和S函数的仿真方法;用改进的ITAE性能指标评价系统的性能,采用单纯形法对PID参数进行了优化。为了充分利用比例控制、模糊控制和PID控制各自的优点,将比例-模糊-PID多模控制器引入磁力轴承的控制。在偏差大时,采用比例控制;在偏差较大时,采用模糊控制;而在偏差较小时,采用PID控制。该控制器能使转子快速、平稳地起浮,且无稳态误差,但切换阈值的选择比较困难。提出了一种磁力轴承拟合修正因子模糊控制器设计方法。采用单纯形法对4修正因子模糊控制器的4个修正因子进行优化,以使改进的ITAE性能指标最小。在拟合修正因子模糊控制器中,采用一个3阶多项式对优化得到的4个修正因子运用最小二乘法进行逼近,且不再对输入和输出进行量化处理。仿真结果表明拟合修正因子模糊控制器有很好的控制效果,有效地改善了磁力轴承的动态性能和稳态性能。提出了一种建立磁力轴承正向T-S模糊模型和逆T-S模糊模型的方法。正向T-S模糊模型和逆T-S模糊模型的主要差别是输入和输出变量不同。正向T-S模糊模型的输入为控制电流和转子位移,输出为电磁力。而逆模型的输入为电磁力和转子位移,输出为控制电流。该方法将模糊聚类分析、最小二乘法和残差分析有机结合,采用模糊C-均值聚类分析方法确定前提结构和参数,采用最小二乘法确定结论参数,并通过对残差的分析进一步确定模糊规则的数目。仿真结果表明所获得的T-S模糊模型和逆T-S模糊模型有很高的拟合精度。提出了一种基于非线性力函数逆T-S模糊模型的磁力轴承逆控制器。将磁力轴承的逆T-S模糊模型与磁力轴承系统相串联,构成一个伪线性对象,然后按照线性系统理论设计线性PID控制器。PID控制器和逆T-S模糊模型构成了逆控制器。仿真结果表明所提方法是有效的。采用基于逆T-S模糊模型的控制方法后,系统比PID控制有更好的动态性能和更强的抗干扰性能,且转子能在更宽的范围内工作。利用并行分布式补偿器的思想,提出了一种基于T-S模糊模型的磁力轴承模糊控制方法。针对模糊模型后件所表示的线性系统,采用线性系统理论中极点配置的方法,设计线性的状态反馈控制器,并将各状态反馈控制器的输出以隶属度函数为权值加权求和作为控制器的输出。仿真结果验证了所提方法的有效性。介绍了所设计的以TMS320LF2407A为控制核心的磁力轴承系统硬件平台和控制软件的设计思路,对关键问题进行了讨论。对于磁悬浮转子,在测量中心位置时,径向各个自由度之间会相互影响,导致对中心位置的测量无法一次完成。在单自由度中心位置测量方法的基础上,给出了一种逐步求精的迭代方法。
【图文】：

轴向轴承,径向轴承,转子,磁力轴承

前径向轴承轴向轴承感应电机后径向轴承图 2.2 由两个径向轴承和一个轴向轴承支承的转子轴承数字控制系统轴承系统包括机械部分和电控系统。机械部分主要包括转子、两个护轴承、一个轴向磁力轴承及保护轴承、壳体和冷却系统。鉴于数优点，目前主动磁力轴承一般采用数字控制方式，其电控系统主要数字控制器、A/D 转换器、D/A 转换器、功率放大器等。另外，还旋转的高速变频电机和变频电源。轴承系统中所使用的位移传感器的主流为电涡流传感器。电涡流位和前置放大器。探头安装在机械内部，用来检测转子的实际位置。信号进行解调、放大、滤波等处理。控制器是磁力轴承控制系统的核心部分，它将传感器检测到的位移持、量化及编码后，通过软件实现的控制算法进行运算，输出数字，通过 D/A 转换器转换为连续的电压信号，并通过功率放大器变换

安培环路定理,磁路,磁通

空气中近似为 1。磁铁或永久磁铁在磁路中产生磁通。用近似的分析方法，即假设除气隙外空气的磁导率要大得多，磁力线离开的波长比磁场的几何尺寸大得多，，则法。作如下假设：磁通Φ 全部通过铁芯横定值，且等于气隙横截面面积lA ；磁fe fe l lΦ = B A = B Afe lA = Afe lB = B = B和气隙中的磁通密度。i lfe
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TH133.3

【参考文献】