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磁悬浮轴承的应用

发布于:2014-09-03 08:13来源:未知 作者:www.hb10fen.com点击:
 磁悬浮轴承的应用
 
由于磁力轴承具有其独特的优越性,所以它具有及其重要的商业价值,在业中有着广泛的应用前景。目前,磁悬浮轴承主要应用于以下几个方面:
1在军事工业中的应用磁悬浮轴承在这方面的应用既是最早的也是最成熟的,包括坦克的控制、机动导弹发射装置运载工具的定位;火炮、坦克、导弹的发射控制系统,以及潜艇、飞机、火箭的导等。
2真空和超导环境中的应用由于磁悬浮轴承无需油润滑,还可以抵抗腐蚀性气体并具有很高的可靠性,所以它适合应用于涡轮分子泵。
3机床中的应用速加工一直是机械切削加工的发展方向,磁悬浮轴承允许在高速度情况下应用。
4石油和天然气工业中的应用在石油和天然气工业中需要低温涡轮膨胀机、离心压缩机,因为在低温下,任何漏出的润滑油脂都会在瞬间冻结而堵塞低温箱,终止生产过程,而磁悬浮轴承可以解决此问题。
 
1.2.5磁悬浮轴承系统的主动控制
控制器是主动控制磁悬浮轴承研究的核心,因此正确选择控制方案和控制器参数,是磁悬浮轴承能够正常工作和发挥其优良性能的前提【2l】。主动磁悬浮轴承表现在控制方面的特点:
1可对转子位置进行控制,磁力轴承不同于其他轴承,即使转子不足轴承中心也能支撑主轴,转子可在径向和轴向自由移动。
2轴承的刚度和阻力由控制系统决定,在一定范围内不但可自由设计,而且在运行过程中可控可调,所以轴承动态特性好。
3轴承可以自动绕惯性主轴旋转,而不是绕支撑的轴线转动,因此消除了质量不平衡引起的附加振动。
 
4转子的控制精度,例如转子的回转精度,主要取决于控制环节中信号的测量精度。
5为了对磁力轴承实施控制,需要对转子状态变量进行测量。这些测量信号还可以用于不平衡大小的评估和运行状态的在线监测,以提高系统的可靠性。
6磁力轴承不仅可以支撑转子、阻尼振动和稳定转子,而且还可以作为激振器使用。对转子实施激振,利用激振信号和响应信号可以识别一些未知的转子特性。
PID控制是经典控制理论的一个代表,由于PID控制器设计简单,不需要准确了解被控对象的模型,便可以在现场通过比例、积分和微分参数的调整实现磁悬浮轴承系统的稳定悬浮,并且能保证系统具备一定的鲁棒性,它往往成为进一步设计先进控制器,提高系统性能的基础,因而目前在磁悬浮轴承的控制中仍扮演着重要的角色。另外,针对磁悬浮轴承系统中的一些特殊问题,PID可与其他方法配合使用,达到好的控制效果。现代控制理论磁悬浮轴承本身是MIMO系统多入多出系统,使用状态空间模型可以很好地对MIMO系统进行描述,结合神经网络与遗传算法的发展又出现了众多新的控制方法。
常规PID控制器参数往往整定不良,性能欠佳,对磁悬浮轴承系统运行工况的适应性很差;H。控制方法强鲁棒性受到了电磁悬浮轴承设计者的青睐;F.Carter对柔性转子采用控制器,在扩展模型中引入了输入干扰、输出干扰、控制量限制;SelimSivrioglu针对悬浮端转子的陀螺效应及不平衡干扰,采用LMI设计调增益控制器,仿真结果表明控制器的阶跃响应和不平衡能力LkPID控制器要好,但是控制器是一个线性控制器,只能针对电磁悬浮轴承线性化模型设计控制器。
 
传统的PID控制具有较大的相位和增益裕度,稳定性好,在工业中被用来降低转子的振动,但当被控对象模型参数发生变化或者存在不确定因素时不仅不能有效地控制振动甚至可能引起振动,于是,出现了PID参数自调整与优化的研究。同时,将PID和最优控制、模糊控制、自适应控制相结合可以获得更好的控制效果。这期间,随着计算机技术的发展,神经网络控制、灰色控制、遗传算法控制等智能控制方法均广泛应用到磁悬浮轴承的主动控制上。
模糊控制、自适应控制、迭代学习控制、TDC时延控制、变结构控制、灰色调节器,一综合及各种方法的综合应用等。
 
磁悬浮轴承对控制器的基本要求是:保证系统有足够的稳定裕度和鲁棒稳定性,这是基本的条件;要求系统增益高,抗干扰能力强,保证较高的定位精度;系统动态响应时间短,阻尼特性好,动态响应过程中不应有较大的超调量。
 
1.3存在的问题及本文研究的内容
 
如前所述,控制器性能的优劣对于磁悬浮轴承系统的影响是非常重要的。控制方法中鲁棒性能的是H。控制,但它有些理论有待完善;H。控制器的阶数较高且复杂,即使经过降阶处理后仍然较常规控制器高,对控制系统的硬件和设计人员提出了很高要求。
 
LQO控制对系统中的噪声可以有效抑制,但投入实际应用有三个困难:卡尔曼滤波算法选择非常困难;在线计算量较大,在AMB较高的采样频率下难以完成;设计人员对实际系统的噪声方差难以准确定量分析,造成系统不稳定。
 
本文主要对磁悬浮机床主轴应用神经网络PID控制和模糊PID控制方法分别设计控制器并进行仿真。具体工作如下:
 
章阐述课题的研究意义,对国内外相关领域的研究状况进行综述,并提出主要研究内容。
 
第二章考虑切削扰动影响,应用转子动力学理论和状态空间法分析刚性磁悬浮主轴系统动力学模型。
 
第三章以磁悬浮轴承为控制对象,设计了神经网络PID控制器,并进行高速切削过程的仿真研究,并与传统PID控制器效果进行比较。
 
第四章以磁悬浮轴承为控制对象,设计了模糊PID控制器,并进行高速切削过程的仿真研究,并与传统PID控制器效果进行比较。
 
 
系统从分析到设计的各个步骤的使用要求,集成了强大的功能:
1矩阵文件的维护;
2传递函数矩阵的分析;
3传递函数矩阵运算;
4控制系统设计;
5控制系统仿真;
6运行参数的设置等。

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