[发明专利]一种磁悬浮转子交叉反馈完全解耦控制方法

说明书

本发明涉及一种磁悬浮转子交叉反馈完全解耦控制方法。根据转子动力学模型，分析了转子两自由度偏转存在强耦合现象，提出一种交叉反馈的完全解耦控制方法，首先根据转子动力学方程求解出磁悬浮转子偏转交叉耦合量，然后设计控制器和交叉反馈控制器，最后通过求解控制器和转子动力学模型的矩阵，使矩阵为对角矩阵时，就可以满足磁悬浮转子两自由度偏转通道的完全解耦。该方法克服了传统解耦算法不能够完全解耦的缺点，能够使磁悬浮转子的偏转解耦控制不受控制器的影响，可以灵活地选择控制器实现磁悬浮转子偏转通道的完全解耦，为磁悬浮转子偏转通道的完全解耦提供了一种新的控制方法。本发明属于磁悬浮转子控制领域，可应用于磁悬浮转子两自由度偏转的完全解耦控制。

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮转子交叉反馈完全解耦控制方法，适用于强耦合效应导致磁悬浮转子失稳情况下对高转速转子偏转自由度完全解耦稳定控制。

技术背景

磁轴承技术因其高转速、主动控制、无摩擦、长寿命、刚度阻尼可调等优点，已经被广泛应用于航空航天、工业控制等领域。使用磁轴承技术的惯性执行机构已经成为研究的热点。

工业上常用磁轴承主要用于支撑转轴，转轴的转动惯量比比较小，陀螺耦合不明显。与工业上应用的磁轴承不同，用于航天领域的磁悬浮惯性执行机构，磁轴承支承的转子为圆盘结构，转子的轴向转动惯量和赤道转动惯量比比较大。转子在高速旋转条件下会呈现比较明显的耦合效应，此效应将会使转子产生涡动模态—章动模态和进动模态。

高速旋转的转子偏转自由度强耦合效应会导致磁悬浮转子失稳现象，且耦合效应产生的进动力矩会对机械轴承产生周期冲击，降低了执行机构的寿命。若对偏转两自由度的强耦合效应不进行抑制，转子稳定性受到破坏。高转速条件下的耦合效应导致转子进动失稳对高转速转子产生不可逆的破坏。为了提高主动磁悬浮转子稳定性，很多控制方法已经被提出。针对传统的磁阻力式磁轴承转子的解耦控制，采用的是交叉位置反馈控制，该方法并不能够实现磁悬浮转子偏转自由度的完全解耦。在交叉位移反馈基础上，还有滤波交叉反馈控制。滤波交叉反馈是通过引入低通滤波器和高通滤波器补偿磁悬浮转子偏转通道相位滞后，以此来控制磁悬浮转子偏转耦合。除此之外还有鲁棒控制方法，该方法通过极点配置，实现了磁悬浮转子偏转自由度的解耦控制，但是该方法并不能够实现磁悬浮转子偏转通道的完全能解耦控制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对高速旋转的磁悬浮转子具有强耦合效应，磁悬浮转子的强耦合会导致磁悬浮转子产生陀螺效应，破坏转子系统稳定性问题，使高速旋转的转子碰撞保护轴承，产生不可逆的破坏，本发明提出一种交叉反馈的磁悬浮转子偏转自由度完全解耦控制方法，首先根据转子动力学方程求解出磁悬浮转子偏转交叉耦合量，然后设计控制器和交叉控制器，最后通过求解控制器和转子动力学模型的矩阵，使矩阵为对角矩阵时，就可以满足磁悬浮转子偏转通道的完全解耦，该方法克服了传统解耦算法不能够完全解耦的缺点，能够灵活地选择控制器实现磁悬浮转子偏转通道的完全解耦，可应用于强耦合效应的磁悬浮转子控制。

本发明的技术解决方案是：通过求解控制器矩阵和转子动力学矩阵，满足对角矩阵的充要条件，实现磁悬浮转子偏转通道耦合的完全解耦控制，其主要包括以下步骤：

(1)建立磁悬浮转子偏转动力学模型

根据欧拉方程，可以求得磁悬浮转子的动力学模型表示为：

其中T_x和T_y代表磁悬浮转子产生的力矩，J_x，J_y，J_z分别是各自轴的转动惯量，Ω表示转子转速，和表示转子在惯性空间的两自由度偏转角速度，和表示转子在惯性空间的两自由度偏转角加速度。

(2)求解磁悬浮转子偏转通道的传递函数

通过拉普拉斯变换，结合控制器传递函数和功率放大器的传递函数，求得磁悬浮转子偏转通道的传递函数可以表示为：