[发明专利]基于交叉解耦陷波器的同频振动力矩分层控制方法

说明书

本发明公开的基于交叉解耦陷波器的同频振动力矩分层控制方法，包括：建立强陀螺效应下磁悬浮转子系统不平衡振动动力学模型；基于磁悬浮转子系统在径向扭转方向的动力学模型，设计磁悬浮转子系统的同频振动分层控制方法；通过对磁悬浮转子系统控制通道的正负频率特进行分析，给出临界涡动失稳转速的解析表达式，以得到低速和高速情况的临界失稳转速；对临界转速以下和临界转速以上的磁悬浮转子系统的稳定性进行分析，通过调节同频陷波器的相角使磁悬浮转子系统在全转速范围内稳定悬浮。本发明提出的这种同频振动力矩分层控制方法，简化了系统稳定性分析的复杂度和陷波器的设计，对磁轴承飞轮系统的振动抑制具有重要参考意义。

技术领域

本发明属于航天控制技术领域，特别涉及一种新型复合分层同频振动力矩控制方法，即基于交叉解耦陷波器的同频振动力矩分层控制方法。

背景技术

近年来，飞轮大多采用无摩擦磨损和无润滑的磁轴承支承，可以从根本上解决飞轮支承系统的寿命和可靠性问题。这种支承方法还可以通过主动控制方法抑制不平衡扰动，使得飞轮的高精度控制成为可能。为了减小飞轮质量和体积，磁悬浮转子通常被设计成扁平结构，因而存在非常严重的陀螺效应。由于强陀螺效应，系统的涡动模态会随着转速的变化出现频率分叉，给磁悬浮转子系统的控制算法设计增加很大的难度。此外，转子质量的不平衡也会引起同频振动干扰，这种干扰不可避免地会影响控制性能，甚至会危及系统的稳定性。如何在系统稳定悬浮的基础上抑制同频振动干扰成为一个具有挑战性的问题。

同频振动的控制方法已经广泛应用于磁悬浮转子系统，如构造干扰观测器来估计和补偿振动干扰、采用最小均方(LMS)算法对位移信号进行陷波处理、利用陷波器抑制同频振动以及用于主动振动控制的复合前馈补偿方法。控制方法大致可以分为两种：一种是不平衡补偿方法，通过消除转子位移中的同频干扰，迫使转子围绕几何轴旋转。另一种方法是通过消除同频力和电流使转子绕其惯性轴旋转，称为自动平衡方法。此外，同频振动的控制方法还有迭代搜索法，基于模型的自适应控制方法以及基于不平衡量识别的自动平衡法等。对比上述几种控制方法，基于陷波器的同频振动抑制方法较为简单实用，是实际工程中常用的方法。

对于具有陀螺效应的磁悬浮转子耦合系统，不仅要解决电磁吸力型系统固有的不稳定，还要解决由于强陀螺效应引起的涡动模态失稳问题。工程中常采用分散PID控制器来控制系统的稳定性，但是该方法只能保证低转速下系统的稳定性。高速时，PID控制器中的积分项会引起系统涡动模态的进动失稳，系统中的其他滞后环节会引起章动失稳，所以仅采用经典PID控制不足以保证磁悬浮转子耦合系统在全转速范围内的稳定悬浮。虽目前已有文章提出采用分散PID加交叉解耦控制器的方法来抑制同频振动力矩，但在全转速范围内均采用交叉解耦控制器，会降低整个系统的稳定性，同时也增加了设计陷波器的难度。

发明内容

为克服现有的磁悬浮转子系统同频振动控制方法的不足，提出一种基于交叉解耦陷波器的同频振动力矩分层控制方法，在临界失稳转速节点两侧分别采用分散PID控制器和包含分散PID控制器以及交叉解耦控制器的复合控制方法保证磁悬浮转子系统的稳定悬浮，并嵌入陷波器算法对系统的同频力矩进行控制，实现对强陀螺效应下磁悬浮转子系统的同频振动力矩的抑制。

本发明所公开的基于交叉解耦陷波器的同频振动力矩分层控制方法，可用于抑制陀螺效应下的磁悬浮转子系统的同频振动力矩。其深入分析不平衡振动的来源，基于磁悬浮飞轮径在向扭转方向上的动力学方程建立完整的不平衡振动动力学模型，提出一种基于交叉解耦陷波器的同频振动力矩分层控制方法。然后通过分析磁悬浮转子系统控制通道的正负频率特性，求解复数域下涡动模态临界失稳转速的解析表达式。在此基础上对磁悬浮系统的稳定性及抑制性能进行分类讨论。

本发明公开的基于交叉解耦陷波器的同频振动力矩分层控制方法，具体可包括以下步骤：：

1)建立强陀螺效应下磁悬浮转子系统不平衡振动动力学模型；

2)基于磁悬浮转子系统在径向扭转方向的动力学模型，设计磁悬浮转子系统的同频振动分层控制方法；