磁轴承动静不平衡扰动影响及其控制策略

磁轴承系统是磁悬浮飞轮储能系统的核心部件之一.由于加工精度以及设备安装精度等因素的影响,使得转子在转动过程几何轴与惯性轴不重合、磁场中心与质心不重合、位移传感器中心与质心不重合,使得磁轴承系统支撑的转子在旋转时会产生不平衡振动,影响转子的运行特征和稳定性.飞轮储能装置的转子由磁轴承控制,要抑制振动的关键就在于磁轴承控制器的设计.首先对磁轴承进行数学建模,随后对振动的产生和影响进行了数学分析,在分析的基础上提出了一种自适应迭代补偿的控制方法,随后通过仿真验证了上述方法对振动有一定的抑制作用.     

磁悬浮储能飞轮振动状态监测研究

针对磁悬浮储能飞轮系统的不平衡振动会影响转子稳定运转和系统正常工作的问题,对其扰动原因进行研究。通过建立含有转子不平衡量的广义干扰方程和磁悬浮飞轮动力学方程,对不平衡振动中的同频、倍频及模态分量进行理论分析。设计并实现了一套基于Lab VIEW-DAQ的磁悬浮飞轮振动状态监测系统,完成对储能飞轮振动信号的实时采集、处理和显示,实现了飞轮的振动状态监测,并对一台300 k W储能飞轮进行试验验证。针对储能飞轮工作的强电环境引起的信号噪声,对原始信号进行小波阈值消噪处理。对消噪后的振动信号进行频域分析,获取某一转速下飞轮的振动频谱图和不同转速下飞轮振动信号的三维瀑布图。试验结果表明,该飞轮振动频谱中存在稳定的飞轮旋转频率成分及其倍频分量。该系统操作简单,通用性强,具有一定的市场前景和应用价值。     

弹性箔片轴承-盘式永磁电机转子系统轴向冲击响应

轴向磁通永磁(Axial Flux Permanent Magnet,AFPM)电机在给转子输出周向电磁转矩的同时,还作为一种“磁轴承”,与弹性箔片轴承(Gas Foil Bearings,GFBs)并联工作.当GFBs支承的单定子单转子AFPM电机转速发生突变时(如加、减速),叶轮或者透平会产生一个瞬时轴向力.为揭示此轴向冲击对转子系统振动的影响机理,针对采用2个径向GFBs和1个轴向GFB支承的单定子单转子AFPM电机,建立了系统的刚性转子动力学方程,计入了永磁体的轴向吸力、径向回复力以及轴向GFB的推力对转子振动的影响.计算显示：轴向冲击对横向振动的影响非常小,箔片结构刚度的非线性效应会对转子振荡幅值和时间均产生影响,永磁体的负刚度绝对值越大,轴向振幅越大.在设计时,要注意永磁轴承刚度、箔片结构刚度和结构阻尼的合理匹配,以保证转子在轴向冲击下的轴向振荡时间和振幅均不超过允许值.     

磁轴承变饱和柔性变结构控制

采用磁轴承取代传统机械轴承,可消除飞轮储能装置机械摩擦,提高转子临界转速.针对磁轴承控制系统响应快、运行稳定的要求,设计了一种变饱和柔性变结构控制器.根据磁轴承的基本结构与悬浮力模型,建立了系统的状态方程;通过有限元仿真,分析了磁轴承耦合性,确定了系统基本控制方案;将柔性变结构和变饱和项结合,当系统存在较大偏差时只通过线性控制器调节,在中等偏差时通过线性控制器和变饱和状态控制器一起调节,在小偏差时由线性控制器和变饱和状态控制器转变的线性控制器一起调节.仿真与实验结果表明,变饱和柔性变结构控制满足实时控制的要求,磁轴承控制系统具有较快的响应速度和较高的运行稳定性.     

磁悬浮刚性转子系统振动机理分析与动力学建模

磁悬浮惯性执行机构采用磁轴承支承,可通过主动控制实现极微振动,但磁悬浮惯性执行机构仍存在频谱分量丰富的振动.首先在转子动静不平衡和Sensor Runout振动机理分析的基础上,重点分析了Magnet Runout产生振动机理;然后,建立包含多振动源的系统动力学建模,并将整个动力学模型分解为平动和转动子系统,分析表明转子动静不平衡、Sensor Runout和Magnet Runout是通过不同的途径产生振动,不仅产生同频振动还包含倍频振动;最后,提出磁悬浮刚性转子系统主动振动控制的要求,为以后的主动振动控制研究奠定基础.     

弹支-刚性转子系统过共振瞬态响应特性研究

针对结合弹支-刚性转子系统的动力学特点,利用Lagrange能量法建立了考虑变速特性的转子系统瞬态响应动力学方程,模型中区别考虑了非旋转阻尼和旋转阻尼的影响.采用精细积分算法计算获得过临界区的转子瞬态响应特性,进一步对比分析了角加速度和阻尼特性对转子系统瞬态振动响应幅频特性和相频特性的影响规律.研究结果表明：变转速引起系统的刚度矩阵变化并产生附件的激励力;瞬态过共振响应幅值明显小于稳态响应幅值,且过共振越快速、阻尼越大时系统瞬态振动响应幅值越小.针对过瞬态相频特性,在临界转速附近出现一个新的相位角(加速过共振小于90°),此相位不受角加速度值和旋转阻尼比的影响,但随着非旋转阻尼比的增大呈增大趋势.     

航空发动机高压转子-滚动轴承系统非线性动力响应分析

基于有限元方法建立了航空发动机高压转子 滚动轴承系统的高维动力学模型,该模型考虑滚动轴承的非线性支撑力,转子的剪切变形、陀螺力矩和转动惯量.利用自适应步长Newmark-β方法计算了转子随转速变化的不平衡响应,得到了不同转速区间转子的振动特征.针对低转速区出现的VC(Varying Compliance)振动现象,计算分析了不同转速下转子不平衡量、轴承游隙对VC振动幅值的影响.结果表明：随着转速的升高,VC振动幅值先减小再增大,之后再减小直至基本消失;增大轴承游隙会使转子VC振动幅值增大,而转子VC振动幅值对不平衡量的变化并不敏感.     

用于磁轴承位移检测的数字式电涡流位移传感器设计与实验研究

磁轴承是磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺的核心部件,在空间应用中的体积、重量、功耗等都有严格要求.现有的用于磁轴承位移检测的非接触式传感器输出大多是模拟信号,每个检测点都需要单独的信号线进行传输.这导致系统的体积、重量、复杂度增加,可靠性降低,抗干扰能力减弱.针对这一问题,提出了一种数字式电涡流位移传感器,它根据调频式的...     

飞轮储能装置在风电场功率平滑控制中的策略优化

风速的不稳定性和间歇性使得风力发电机的输出功率具有随机性和波动性,大规模风电并网往往会对电力系统的稳定运行带来严重的影响;飞轮储能由于其快速的脉冲响应和高充放电率,能够有效减小风机系统接入电网时的功率波动;文章对采用永磁同步电机的飞轮储能系统在抑制风电系统有功功率波动的应用中的控制策略进行了优化设计;采用模糊推理的方法实现对有功功率平滑值的优化计算,结合永磁同步电动机(PMSM)数学模型,提出基于改进PR控制器及转子磁链定向的矢量控制策略;最后,通过Matlab/Simulink进行仿真,仿真结果显示了文中的策略具有较好的动态特性和鲁棒性。     

含裂纹转轴系统的动态特性与实验研究

裂纹是转轴系统常见的一种故障形式,裂纹的呼吸效应会改变转轴的动态特性.为研究该呼吸效应的影响,提出一种含裂纹模块和无裂纹模块的组合建模方法,通过设置不同模块之间的接触属性实现裂纹缺陷的预置,分析了不同转速和不同裂纹深度条件下裂纹呼吸效应对转轴系统动态特性的影响;并采用可对转轴水平和竖直两个方向振动信息进行高效同步测量的新型单目视觉位感条纹振动测量方法开展了含裂纹转轴系统的动态特性实验研究.仿真与实验结果相吻合,结果表明:裂纹缺陷会导致转轴振动中出现倍频成分,当转速接近1/2临界转速时,2倍频信号非常明显,且其幅值大于转频幅值,同时随着裂纹深度由1 mm加深至5 mm,转轴的振动幅值增大了5倍,2倍频成分更显著.     

消隔组合X型减振器设计与动力学分析

本文将一种X型结构与线性弹簧阻尼减振器相结合构成一种兼具消振和隔振性能的新型X型减振器.基于拉格朗日方法建立单自由度线性振子耦合消隔组合X型减振器系统的动力学方程,应用谐波平衡法得到系统稳态响应的近似解析解,并通过Runge Kutta法得到系统的数值解验证解析解的正确性.讨论了不同的基础激励下新型X型减振器对系统的响应幅值以及位移传递率的减振效果.此外,分析了不同参数对系统的幅频响应曲线以及位移传递率的影响.研究结果表明,新型X型减振器不仅可以将线性刚度转化为非线性刚度,还可以为系统提供负刚度,拥有优秀的消振和超低频隔振性能.     

轮-带驱动系统稳态周期响应谐波平衡分析

研究含有单向离合器、两滑轮及附件的轮-带驱动系统稳定稳态周期响应.通过单向离合器连接从动轮与附属系统,并计入传送带的横向振动的影响,导出了由偏微分-积分方程与分段常微分方程组成的连续-离散型非线性耦合方程组.利用Galerkin方法将连续非线性方程组截断为一组非线性常微分方程组,再运用谐波平衡法得到轮-带驱动系统耦合非线性振动的稳态响应.通过比较有无单向离合器装置的系统稳定稳态幅频响应曲线,研究了单向离合器对驱动系统以及轮-带系统非线性动态特性的影响.并首次研究了高频激励下轮-带系统的稳态响应.最后,运用Runge-Kutta方法对比验证了基于谐波平衡法得到的稳态响应.     

永磁同步发电机风能转换系统滑模控制仿真

针对由于风速的随机波动性而使基于线性定常控制器的风能转换系统稳定性较差的问题,提出了一种基于滑模控制的永磁同步发电机风能转换系统的设计方案;分析了该系统中风力机模型、传动装置模型和永磁同步发电机模型的建立原理,介绍了滑模控制策略的具体实现。仿真结果表明,该系统具有较好的速度跟踪特性,实现了最大风能捕获。     

一种基于电磁—空气弹簧的非线性隔振器理论与实验研究

本文提出一种主要由空气弹簧和永磁体所组成的具有准零刚度特性的非线性隔振器.首先,通过分析空气弹簧和磁体的受力特性,建立隔振器力-位移关系和刚度-位移关系,揭示隔振器静态力学特性,并分析隔振器参数对系统刚度的影响规律.然后,采用谐波平衡法计算隔振器力传递率特性.结果表明,通过在适当范围内调节系统阻尼比或激励幅值,所提出的非线性隔振器在隔振频率范围内优于普通空气弹簧隔振器.最后,通过实验验证隔振器的隔振性能.该研究可为小振幅甚至微振动系统的振动隔离提供新的参考.     

基于受控拉格朗日函数的永磁同步电动机控制器设计

本文将基于受控拉格朗日函数(CL)的控制器设计方法应用到高阶、强耦合、非线性的永磁同步电动机 (PMSM)的控制问题中. 利用期望的受控能量来构造受控拉格朗日函数, 并在广义力中引入速度一次项的保守力, 得到原始方程与受控方程相匹配的条件. 通过求解匹配条件中的偏微分方程, 得到的非线性光滑反馈控制律可同时 实现位置与速度的全局渐近镇定. 最后, 利用LaSalle不变定理对其进行证明. 仿真结果表明了控制律的有效性.     

Observer‐based controller for constrained uncertain stochastic nonlinear discrete‐time systems

In this paper, an observer‐based control approach is proposed for uncertain stochastic nonlinear discrete‐time systems with input constraints. The widely used extended Kalman filter (EKF) is well known to be inadequate for estimating the states of uncertain nonlinear dynamical systems with strong nonlinearities especially if the time horizon of the estimation process is relatively long. Instead, a modified version of the EKF with improved stability and robustness is proposed for estimating the states of such systems. A constrained observer‐based controller is then developed using the state‐dependent Riccati equation approach. Rigorous analysis of the stability of the developed stochastically controlled system is presented. The developed approach is applied to control the performance of a synchronous generator connected to an infinite bus and chaos in permanent magnet synchronous motor. Simulation results of the synchronous generator show that the estimated states resulting from the proposed estimator are stable, whereas those resulting from the EKF diverge. Moreover, satisfactory performance is achieved by applying the developed observer‐based control strategy on the two practical problems. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

波纹辊轧机辊系主共振时滞反馈控制

金属复合板波纹辊轧制成形是一项变革技术,在复合板轧制成形的过程中,轧制界面的非线性阻尼以及上下波纹辊之间的非线性刚度都可能导致主共振的发生,造成辊缝的波动.考虑了波纹辊轧机波纹界面间的非线性阻尼和非线性刚度,建立了波纹辊轧机两自由度垂直非线性数学模型.利用奇异值理论和相平面法讨论了波纹辊轧机辊系自治下的稳定性,运用多尺度法求解了波纹辊轧机辊系在波纹界面激励下主共振的解析近似解和幅频特性方程.分析了非线性刚度系数、非线性阻尼系数、系统阻尼系数、轧制力的幅值等参数对主共振的影响.设计了线性和非线性复合作用的时滞反馈控制器来对波纹辊系的主共振进行控制,并且通过数值仿真验证了控制器设计的正确性和可行性.     

梁摆系统耦合振动分析

分析了梁摆系统的耦合振动,梁和摆均考虑为线性.研究发现该系统含有非线性动力行为,在某些条件下会发生叉形分叉.用结构动力学理论建立了梁摆系统的耦合振动方程,用摄动法求出了系统的近似解,分析了该系统的动力响应及分叉.最后用MATHMATIC软件对分叉点前后动力响应进行分析.     

电机定转子刚体模型非线性振动研究

建立了电机定转子耦合的刚体模型,针对电机变频启动时,电流存在高次谐波的情况,推导求解了高次谐波磁势,得到了电磁力的多种成分.分析了电磁刚度对系统固有频率的影响,对系统垂直与水平振动相耦联的非线性共振进行了研究,得到了系统的一次近似解及稳态响应曲线,讨论了电磁参数和质量对共振的影响.