磁悬浮分子泵高速转子章动相位裕度跟踪补偿控制

针对磁悬浮分子泵转子在高速运转时章动模态造成的失稳问题,提出一种基于交叉反馈的章动相位裕度跟踪补偿控制方法。利用磁悬浮转子系统的复系数建模方法,定量分析闭环控制作用下扁平转子的阻尼章动频率,确立章动频率与控制系统参数及转速间的解析关系,设计自适应滤波器跟踪提取章动频率信号,应用于交叉反馈的章动控制通道,实现全转速范围内对章动相位裕度的跟踪补偿控制。仿真结果表明,章动频率解算精确,基于交叉反馈的章动模态控制方法可有效解决磁悬浮高速转子全转速范围内的章动模态稳定控制问题。最后,将所提方法应用于所研制的大抽速磁悬浮分子泵控制系统,章动模态振动幅值被抑制在-60 d B以下,消除了章动模态对控制系统稳定性的影响,确保了磁悬浮分子泵长期可靠运行。     

基于双频Bode图的磁悬浮控制力矩陀螺转子弹性自激振动抑制用陷波器设计

由于强陀螺效应和控制系统的高频滞后,磁悬浮控制力矩陀螺转子存在高频弹性自激振动,需要采用陷波器（Notch Filter－NF）进行相位校正和抑制,但是目前仍然缺乏有效的NF参数设计方法。本文提出一种基于双频Bode图的NF参数设计方法,采用双频Bode图分析转子弹性模态稳定性,得出不同转子转速下对NF相位校正角的要求,然后在保证转子章动稳定性的前提下优化设计NF参数。采用该方法设计的NF有效抑制了转子的弹性自激振动,使所研制的磁悬浮控制力矩陀螺稳定升速到20000r/min,验证了该方法的实用性和有效性。     

磁悬浮复合转子章动模态的最优阻尼控制

为了抑制磁悬浮分子泵高速复合转子章动模态对稳定性的影响,提出了一种基于移相器的轴承力最优阻尼控制方法,建立了磁悬浮分子泵刚性复合转子的动力学模型,计算出转子闭环系统的最优控制相位,通过扫频检测闭环系统在临界转速处的滞后相位,定量获得系统的最优补偿相位,利用移相器对系统相位进行最优补偿,以保证系统在章动频率处的相位裕度,避免磁悬浮分子泵复合转子在高速下的章动失稳。经试验证明:采用最优阻尼控制方法,可使磁悬浮转子在高速运行时的章动模态幅值降低50%以上,对转子高速下的章动模态有较好的抑制效果。     

磁悬浮飞轮陀螺力学与控制原理

通过对磁悬浮飞轮陀螺力学进行研究,并分析电磁力对转子章动、进动特性的影响,将磁轴承电磁力对飞轮转子的作用分成四种基本支承成分,分别讨论它们对转子章动与进动稳定性的不同影响.控制器可通过调整四种基本成分在总的电磁力中的比重,改变转子章动、进动的阻尼特性,实现转子的高速稳定运行.基于这些分析,总结出磁悬浮飞轮控制器设计的基本原则.该原则为高速下磁悬浮飞轮转子系统控制器的设计指明方向.     

电磁力超前控制在磁悬浮飞轮中的应用

对于具有强陀螺效应的磁悬浮飞轮系统,在实际运行时其章动与进动模态会对转子高速下的稳定性产生影响,必须有效地对其进行抑制,以使磁悬浮飞轮系统运行到工作转速。传统的PID控制已经难以满足系统的要求。给出了一种新的抑制磁悬浮飞轮章动的方法——电磁力超前控制。这种方法结合位移交叉能同时对章动与进动进行抑制,并且实现简单。对方法的有效性进行了理论分析,并给出了仿真结果及部分试验数据。     

基于反馈线性化和保性能控制的轴向磁轴承单侧线圈故障容错控制

针对轴向永磁偏置磁轴承一侧线圈无电流时磁轴承承载能力下降且非线性增强的情况,提出一种反馈线性化与保性能控制相结合的组合容错控制策略来提高轴向磁轴承在故障情况下的承载能力并使其能在承重时稳定悬浮转子。首先,建立了故障情况下后轴向磁轴承-转子系统的非线性动力学模型,通过反馈线性化方法使系统大范围线性化。然后,在考虑参数摄动的基础上设计最优保性能控制器使转子稳定悬浮。最后,在轴向一侧线圈无电流的永磁偏置磁悬浮转子上进行了多项实验。实验结果表明,所设计的组合容错控制器实现了承重情况下转子的稳定悬浮,摄动最大的参数变化约35%时位移跳动量峰值为2.6μm,超调量小于3%,调节时间为82ms。结果验证了该方法不仅能实现容错控制,而且具有良好的动静态性能及鲁棒性。     

基于BP神经网络模型的磁悬浮水泵PID参数优化

为了设计动态性能更优的磁悬浮水泵磁轴承支撑系统,本文利用多功能磁悬浮试验平台,通过整定磁轴承PID控制参数实现了转轴的5自由度稳定悬浮,然后随机选取径向磁轴承B的Y方向进行辨识试验,建立了其控制系统被控对象的BP神经网络模型,并采用Simulink进行PID参数优化,最后模拟磁悬浮水泵3种不同工况进行控制仿真对比。使用优化参数的系统仿真结果显示系统响应更快,试验结果表明,0~4000 r/min慢扫频过程中,转子X、Y方向位移分别降低了32.9%和24.1%,试验结果为磁悬浮水泵的PID参数优化提供了一种方法。     

磁轴承飞轮控制系统设计中LQR方法的应用研究

对于具有强的陀螺效应的磁悬浮飞轮转子,将转子各自由度作为独立个体采用分散控制难以满足系统要求,而LQR方法不失为一种有效的集中控制方法。通过对LQR控制方法在飞轮转子上的仿真研究,给出了LQR方法应用于磁悬浮系统控制时,加权阵Q阵与R阵的选取原则,并对反馈阵F中各参数的物理本质进行了阐述。由仿真结果与理论推导相结合,论证了陀螺位移交叉反馈的作用,由此给出了LQR控制的一种简化实现方法。     

磁轴承用电涡流位移传感器串扰产生及抑制方法研究

针对磁悬浮控制力矩陀螺(CMG)对位移传感器的特殊性能指标要求,设计了一种五自由度电涡流位移传感器系统,将径向探头和测量电路进行了集成一体化设计,对探头之间串扰产生的原因进行了理论分析,并提出在原有振荡电路上增加调整电容,通过调节调整电容值提高探头之间串扰频率使其无法通过后续滤波的方法抑制串扰,提高了转子的位移检测精度。实验结果表明,实现了转子在0～30000r/min范围内的稳定悬浮,悬浮精度小于20μm,满足了磁悬浮CMG电磁轴承对转子位移高精度检测的需求。     

H∞控制理论在磁悬浮轴承系统中的应用研究

讨论了鲁棒H∞控制理论灵敏度和补灵敏度加权因子的选择方法，设计了磁悬浮轴承系统的H∞控制器；研制了基于PC机的磁悬浮轴承实时数控系统，用C语言设计了H∞控制器的软件。仿真结果表明，采用H∞控制，系统具有良好的动态性能、较强的鲁棒性和抑制转子振动的能力。对一个五自由度的磁悬浮轴承系统进行试验研究，结果表明，采用H∞控制器成功实现了五自由度磁悬浮轴承系统的稳定悬浮，在最高转速30000r／min时转子的振动峰峰值小于60μm。     

基于特征模型的主动磁轴承交叉反馈控制研究

设计了一种主动磁悬浮轴承转子系统的解耦控制方法——基于特征模型的交叉反馈控制。使用特征模型控制算法替代PID算法,加入交叉反馈解耦项,将自适应功能的特征模型控制与解耦功能的交叉反馈控制相结合。建立转子系统的数学模型,用Simulink软件对控制系统进行仿真分析,证明控制算法可行。通过实验观察在不同衰减因子下转子高速旋转时的轴心摆振幅度,可确定最佳补偿量。     

RESEARCH ON CONTROL OF FLYWHEEL SUSPENDED BY ACTIVE MAGNETIC BEARING SYSTEM WITH SIGNIFICANT GYROSCOPIC EFFECTS

Traditional PID controllers are no longer suitable for magnetic-bearing-supported high-speed flywheels with significant gyroscopic effects. Because gyroscopic effects greatly influence the stability of the flywheel rotor, especially at high rotational speeds. Velocity cross feedback and displacement cross feedback are used to overcome harmful effects of nutation and precession modes, and stabilize the rotor at high rotational speeds. Theoretical analysis is given to show their effects. A control platform based on RTLinux and a PC is built to control the active magnetic bearing (AMB) system, and relevant results are reported. Using velocity cross feedback and displacement cross feedback in a closed loop control system, the flywheel successfully runs at over 20 000 r/min.     

利用负刚度效应调谐的硅调谐式陀螺仪

为了验证硅调谐式陀螺仪原理的可行性,研究了硅调谐式陀螺仪的调谐机理,硅转子运动模态和加工工艺以及信号检测与再平衡控制回路。提出了一种利用力矩器的负刚度效应来实现硅调谐式陀螺仪调谐的新方法,推导了静电负刚度调谐的理论公式;设计、仿真、加工了硅薄片式转子平衡环部件和电容器极板,给出了电容信号敏感接口电路、升压放大电路、反馈校正电路和再平衡控制回路。在此基础上,实现了硅调谐式陀螺仪原理样机。试验结果证实,利用负刚度效应调谐是可行的,接口电路和再平衡控制回路设计是合理的。初步性能测试表明,硅调谐式陀螺仪可实现标度因数为1.42mV/((°)/s),标度因数非线性为2.47%,量程为±200(°)/s。试验结果验证了该陀螺仪基本原理的可行性。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应补偿方法

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)是由磁悬浮高速转子系统与内框架、外框架速率伺服系统构成的航天器新型姿控执行机构。由于非线性及三个子系统间的强耦合,框架转动时磁悬浮转子位移急剧增大影响稳定性,同时框架系统的响应速度显著下降,称之为动框架效应。该效应严重影响了DGMSCMG的功能,必须加以抑制。建立DGMSCMG的动力学模型,分析三个子系统间的动力学耦合机理,提出一种基于复合控制的补偿方法,引入针对陀螺项的反馈和针对框架角速率给定的前馈消除磁悬浮转子附加位移,提高框架系统响应速度,并对补偿后系统做全局稳定性分析。仿真和试验结果表明,该方法能在保证系统稳定性的前提下有效抑制动框架效应,满足DGMSCMG的功能要求。     

基于剪式陀螺系统的空间飞行器非线性姿态控制

为避免控制力矩陀螺系统奇异,采用三对剪式陀螺垂直安装构形构成一个控制力矩陀螺系统作为空间飞行器姿态控制的执行机构。基于Newton-Euler法推导出剪式陀螺系统操纵空间飞行器姿态运动的精确数学模型,并在此基础上设计空间飞行器大角度姿态机动的非线性控制律,在设计的同时证明系统的稳定性。对剪式陀螺系统进行奇异性分析,分析表明该系统无内部奇异。提出一种剪式陀螺系统在陀螺同步条件下的伪逆操纵律。为提高同步性能和抗扰动能力,基于Lyapunov稳定性理论设计剪式陀螺系统的自适应非线性反馈控制器。仿真验证所设计的控制律和操纵律的有效性以及该陀螺系统驱动空间飞行器进行大角度姿态机动的能力。     

基于平均功率平衡控制的磁悬浮分子泵电力失效补偿方法

高速磁悬浮涡轮分子泵（Turbo Molecular Pump, TMP）因其高能量密度、微振动、无需润滑等优点被广泛应用于工业领域,但外部电源失效时,高速转子跌落后与保护轴承产生剧烈撞击和摩擦,将给系统带来致命损害。针对以上问题,提出一种基于平均功率平衡法的电力失效补偿控制（Power Failure Compensation Control, PFCC）方法。首先,设计电机能量回馈电路;其次,对Buck-Boost变换器进行数学建模,设计一种双环非线性控制器,其中电流内环使用滑模控制,电压外环使用平均功率平衡控制（Average Power Balance Control, APBC）,并利用Lyapunov函数推导出系统的稳定性条件;最后,通过搭建磁悬浮分子泵PFCC实验平台,对所提出的方法进行实验验证。结果表明：本文所提出的方法具有快速响应和输出鲁棒性,磁悬浮转子由额定转速21000 r/min降至3900 r/min时跌落,电机能量转化效率为96.6%,提高了磁轴承系统的安全性。     

A modified model reference adaptive control with application to MEMS gyroscope

Micro electro-mechanical systems (MEMS) are increasingly being used in measurement and control problems due to their small size, low cost, and low power consumption. The vibrating gyroscope is a MEMS device that will have a significant impact on stability control systems in the transportation industry. This paper investigates the application of a modified model reference adaptive control for MEMS gyroscope. Using this adaptive control algorithm, an estimation of the angular velocity and the damping and stiffness coefficients in real time is easily computable. Changing the conventional model reference input makes it feasible to utilize a low pass filter to remove unwanted oscillations caused by high adaptation gain. This new adaptive control technique enables quick compensation for large changes in the system dynamics, providing consistent estimation of gyroscope parameters including angular velocity and large robustness to parameter variations and external disturbances. The asymptotic stability of the mentioned adaptive controller is guaranteed using the Lyapunov direct method. Numerical simulation is presented to verify the effectiveness of the proposed control scheme.     

Robust adaptive control for a MEMS vibratory gyroscope

This paper presents an adaptive sliding mode controller for a microelectromechanical systems (MEMS) vibratory z-axis gyroscope. The proposed adaptive sliding mode controller can real-time estimate the angular velocity and the damping and stiffness coefficients. The stability of the closed-loop system can be guaranteed with the proposed adaptive sliding mode control strategy. The numerical simulation for MEMS gyroscope is investigated to show the effectiveness of the proposed control scheme. It is shown that the proposed adaptive sliding mode control scheme offers several advantages such as real-time estimation of gyroscope parameters and large robustness to parameter variations and external disturbance.