主动电磁轴承—裂纹柔性转子系统动力学特性研究
与传统的滚动轴承或滑动轴承支承的转子系统相比,主动电磁轴承支承的转子系统中,转子裂纹故障的动力学特性要复杂得多,其中有许多问题需要解决,如:裂纹对电磁轴承控制系统稳定性的影响、裂纹对电磁轴承-转子系统的动力学特性的影响、电磁轴承控制器对裂纹转子故障的动力学特性影响、电磁轴承-转子系统中裂纹故障的诊断方法等。本文以电磁轴承-裂纹柔性转子系统的动力学特性研究为主要目标,分别对电磁轴承的2DOF PID控制器设计、H∞控制器设计、裂纹转子的数学模型、电磁轴承-裂纹柔性转子系统的动力学模型、电磁轴承控制器参数对裂纹转子系统的动力学特...
与传统的滚动轴承或滑动轴承支承的转子系统相比,主动电磁轴承支承的转子系统中,转子裂纹故障的动力学特性要复杂得多,其中有许多问题需要解决,如:裂纹对电磁轴承控制系统稳定性的影响、裂纹对电磁轴承-转子系统的动力学特性的影响、电磁轴承控制器对裂纹转子故障的动力学特性影响、电磁轴承-转子系统中裂纹故障的诊断方法等。本文以电磁轴承-裂纹柔性转子系统的动力学特性研究为主要目标,分别对电磁轴承的2DOF PID控制器设计、H∞控制器设计、裂纹转子的数学模型、电磁轴承-裂纹柔性转子系统的动力学模型、电磁轴承控制器参数对裂纹转子系统的动力学特性影响等问题开展了研究。
  2DOF PID(two-degree-of-freedom PID)控制既有良好的抗外干扰能力,又具有很好的目标值跟踪特点,将其应用于电磁轴承的控制中,建立了2DOFPID控制电磁轴承的数学模型,通过仿真分析,选取了2DOFPID控制的控制参数,并在所建立的电磁轴承-柔性转子系统实验平台上进行实验,实验结果表明,所设计的2D(O)FPID控制器能使电磁轴承实现稳定悬浮运行,保证柔性转子系统能平稳地通过其一阶弯曲临界转速。
  利用H∞控制具有良好的鲁棒性及抑制干扰的特点,设计了电磁轴承的H∞控制器。为克服在采用转子系统的有限元数学模型设计H∞控制器时,选取加权函数W1(s)、W2(s)及W3(s)异常困难的问题,采用集总参数法,将转子系统的物理参数集总到电磁轴承的支承点,选取加权函数设计出了H∞控制器,并在所建立的电磁轴承-柔性转子系统实验平台上进行实验,实验结果表明,该H∞控制器能使电磁轴承实现稳定悬浮运行,保证柔性转子系统能平稳地通过其一阶弯曲临界转速。
  根据呼吸裂纹转子的刚度数学模型,采用有限元方法,建立了PD控制的电磁轴承-裂纹柔性转子系统的动力学方程,并进行仿真分析,研究了电磁轴承的控制器参数P增益和D增益对裂纹转子系统动力学特性的影响,对比分析了与传统弹性支承-裂纹转子系统的动力学特性的异同,结合电磁轴承的等效刚度受偏置电流影响的特点,分析了PD控制的电磁轴承偏置电流I0对裂纹柔性转子系统动力学特性的影响。
  建立了最优控制的电磁轴承-裂纹柔性转子系统的动力学方程,并进行了仿真分析,研究了最优控制的控制器参数加权矩阵Q和R对裂纹转子系统动力学特性的影响,对比分析了与传统支承-裂纹柔性转子系统的动力学特性的异同,结合电磁轴承的等效刚度受偏置电流影响的特点,分析了最优控制的电磁轴承偏置电流I0对裂纹柔性转子系统的动力学特性的影响。
  在电磁轴承-柔性转子系统实验平台上,在不改变转子系统的固定条件的前提下,将柔性转子系统的转轴通过线切割加工出一条横向切槽,在切槽中嵌入铜片并与切槽一侧强力粘接的办法得到与实际裂纹尽可能相似的横向裂纹。当实验平台中的电磁轴承分别采用2DOFPID控制器和H∞控制器时,在控制器参数不变的情况下,在电磁轴承-裂纹柔性转子系统实验平台上进行了裂纹柔性转子的稳态响应实验,不平衡响应实验,加速响应实验和减速响应实验等动力学特性实验,分析了当实验台的电磁轴承采用不同控制器时,转子横向裂纹对电磁轴承-柔性转子系统振动特性的影响,实验结果表明,转子裂纹到一定深度将导致电磁轴承-柔性转子系统失稳,且监测转子的振动是检测电磁轴承-柔性转子系统中转子裂纹故障的有效方法。
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作者: 钟志贤
学科专业: 电气工程
授予学位: 博士
学位授予单位: 浙江大学
导师姓名: 祝长生
学位年度: 2013
语 种: chi
分类号: TH133.34
在线出版日期: 2014年9月17日