[发明专利]相移广义积分扩张状态观测器、振动抑制方法及系统

说明书

本发明公开了一种相移广义积分扩张状态观测器、振动抑制方法及系统，属于磁悬浮轴承控制领域，包括：误差获取模块，用于将当前控制周期内的位移信号q_j与上一控制周期内的位移观测值z_j1(p)作差，得到位移误差e_j；第三观测模块，用于将e_j按照l₃放大后，分别进行积分和按照传递函数进行变换，并将积分结果和变换结果相加，得到广义扰动观测值z_j3；第二观测模块，用于根据磁悬浮轴承当前控制周期内在目标自由度的控制电流信号i_cj和广义扰动观测值z_j3计算位移一阶导数观测值z_j2；第一观测模块，用于根据位移一阶导数观测值z_j2和位移误差e_j计算位移观测值z_j1。本发明能够实现低转速下的稳定悬浮与振动抑制，拓宽了磁悬浮轴承稳定运行的转速范围。

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种相移广义积分扩张状态观测器、振动抑制方法及系统。

背景技术

磁悬浮轴承是一种利用电磁力实现转子无接触支撑的新型支撑设备。装配了磁悬浮轴承的旋转机械具有无摩擦、不需润滑、支撑特性可控等优势。目前在高速电机、飞轮储能、压缩机等领域，磁悬浮轴承已得到商业和工业应用。

振动问题是旋转机械普遍存在的问题，而磁悬浮轴承可通过主动的电磁力对振动问题进行改善。与传统机械轴承不同，磁悬浮轴承是具有传感器、执行器、功率放大器、控制器等部件的控制系统。控制器所应用的控制算法是发挥主动控制作用实现振动抑制的关键。

自抗扰控制(ADRC)方法因具有鲁棒性较强、参数整定方法简单、模型依赖性较小等优势已被应用于磁悬浮轴承控制，自抗扰控制方法通过扩张状态观测器(ESO)对广义扰动进行观测，由控制器对目标量进行控制。而目前应用于磁悬浮轴承的自抗扰控制方法，仅能实现转子静态和旋转状态下的稳定悬浮。但当转子处于旋转状态时，普通的扩张状态观测器无法实现转子位移振动的抑制，即此时转子存在较大的位移振动。H.Sun等人在文献“Vibration Suppression of Magnetic Bearing System based on Active DisturbanceRejection Control with Generalized Integrator Extend State Observer”(2020IEEE1st China International Youth Conference on Electrical Engineering(CIYCEE),Wuhan,China,2020,pp.1-2,doi:10.1109/CIYCEE49808.2020.9332769)中提出了一种广义积分扩张状态观测器(GI-ESO)，其结构如图1所示，包括3个积分器，4个增益环节，以及一个广义积分环节(GI)，该广义积分扩张状态观测器将广义积分环节(GI)添加至ESO中，能够更为准确地实现广义扰动观测，该文件的理论分析结果显示，基于GI-ESO，在磁悬浮轴承转子转速角频率Ω低于3200πrad/s(1600Hz)时，可保证磁悬浮轴承系统的稳定，且能够有效抑制振动。但是，进一步研究发现，由于GI-ESO中的广义积分环节在谐振频率处的相位值固定为90°，不可调节，导致系统在低转速，尤其是0～120πrad/s(0～60Hz)转速范围内，并不稳定，如图2所示，在此低转速范围内，系统的根轨迹位于虚轴右侧，反映了系统不稳定。这导致磁悬浮轴承系统在低转速范围内发发生转子碰磨、保护轴承损坏、关键部件失效等不良影响。此外，基于GI-ESO的振动抑制方法仅能抑制频率为转速角频率的振动，对于转速倍频振动无抑制效果。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种相移广义积分扩张状态观测器、振动抑制方法及系统，其目的在于，提高低转速下的广义扰动观测精度，为实现低转速范围下的振动抑制提供有力的支撑，从而保证磁悬浮轴承在大转速范围内均能保持稳定。