[发明专利]基于改进型多谐振控制器的磁悬浮飞轮倍频振动力抑制方法

说明书

本发明公开了一种基于改进型多谐振控制器的磁悬浮飞轮倍频振动力抑制方法，考虑传感器误差导致的转子倍频振动力的影响，对磁悬浮转子建立包含倍频振动力的动力学模型，然后设计了一种基于相位补偿的改进型多谐振控制器，引入补偿相位来调节多谐振控制器嵌入基本控制系统时的系统稳定性，并且每个共振频率处的谐振控制器参数调整是基于先前稳定的闭环控制系统，利用递进式的参数设计来确保整个系统的稳定性和减轻参数计算的复杂度。通过该方法，以较高精度和稳定度获得较宽转速范围内的倍频电流扰动的抑制效果，进而有效抑制倍频振动力，并对磁轴承系统的主动振动控制具有参考意义。

技术领域

本发明属于磁轴承系统主动振动控制技术领域，具体涉及一种基于改进型多谐振控制器的磁悬浮飞轮倍频振动力抑制方法。

背景技术

旋转设备中的周期性扰动是一个广受关注的问题。抑制周期性扰动的基本方法是通过机械方式实现的，例如使用自动平衡机来减小周期性不平衡质量，采用隔振装置来阻止振动的传递。但是无论哪种机械式的振动抑制方法都存在耗时并且成本较高的缺点。此外，机械方法的优势在面对周期时变的扰动，特别当动力学模型发生变化时，其效果是有限的。与传统的机械磁轴承相比，主动磁轴承因为它的诸多优势，例如无摩擦，无需润滑，以及长寿命等，受到越来越多的关注。特别地，主动磁轴承可以使用电磁力来主动控制转子的运动。因此，高速转子的周期性扰动可以直接在磁轴承控制系统中进行主动抑制。

在磁轴承系统中有两个主要的引起周期性扰动的源头，包括转子质量不平衡和传感器误差。转子质量不平衡是由于转子惯性轴和几何轴的偏差造成的，并且其会导致转子与转速同频的不平衡振动。传感器误差主要来自于传感器的不均匀性检测误差。传感器误差会导致转子位移的倍频周期性扰动。这种转子质量不平衡和传感器误差将最终导致转子振动，并且振动力会传递到机械外壳上，最终影响磁轴承设备的高精度高性能。因此，很有必要完全消除谐波扰动，以便振动力可以尽可能地减小到一个很小的量级。特别对于一个时变转频工作范围的磁轴承系统，例如用于卫星姿态稳定控制的磁悬浮飞轮，其谐波扰动的频率是随转子转速持续上升和下降的时变频率。也就是说，在频率变化的扰动下倍频振动的抑制需要满足更宽的稳定范围。在一个较宽的速率范围内消除时变频率的周期性扰动是磁轴承系统中的很有挑战性的一个控制问题。

发明内容

本发明研究宽转频范围内的磁轴承系统中时变频率的倍频振动抑制问题。通过在转子控制电流中进行倍频振动处理，从而达到减少由于周期性扰动引起的振动力。

为实现上述目的，本发明针对磁悬浮飞轮，提出一种基于改进型多谐振控制器的磁悬浮飞轮倍频振动力抑制方法，通过设计一种基于相位补偿的改进型多谐振控制器，从而以较高精度和稳定度获得较宽转速范围内的倍频电流扰动的抑制效果，进而有效抑制倍频振动力。

该方法是通过独立设计补偿相位和控制增益的改进型多谐振控制器来抑制倍频振动，其主要控制思想是基于先稳定系统的灵敏度函数，为第n次谐波设计谐振控制器。这个先稳定系统包括基本系统和前次谐波的抑制。面对时变频率的宽转频范围的稳定性通过自适应补偿相位来进行确保。具体技术方案如下:

本发明所公开的基于改进型多谐振控制器的磁悬浮飞轮倍频振动力抑制方法包括以下步骤：

1)考虑传感器检测误差，建立包含倍频振动力的磁悬浮转子动力学模型；

2)搭建带有多谐振控制器和悬浮控制器的闭环控制系统(即倍频振动抑制闭环系统)，明确多谐振控制器的嵌入方式，悬浮控制器即用于磁悬浮飞轮转子稳定悬浮的带有PID的基本控制器(简称基本控制器)；

3)设计改进型多谐振控制器，引入补偿相位φ和积分单项式，在先前稳定闭环控制系统(即带有PID的基本控制器及n-1个谐振控制器组成的闭环稳定控制系统)的基础上嵌入第n个谐振控制器，递进的进行参数设计，稳定现闭环系统；

4)对倍频振动抑制闭环系统进行稳定性分析，确定控制增益的稳定性条件；