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磁悬浮轴承的变结构控制研究

刘迎澍  
【摘要】: 本文研究了刚性磁悬浮铣削主轴以及柔性转子—磁轴承系统的变结构控制方法,设计开发了基于微机与高速数字信号处理器(DSP)主从控制结构的柔性转子—磁轴承系统主动控制硬件平台,并进行了计算机仿真和实验研究。全文工作取得如下创造性成果: 首次将变结构控制策略用于磁悬浮机床主轴的主动控制。考虑切削过程扰动影响,建立了电流控制型磁悬浮主轴系统动力学模型,以磁轴承为控制对象,设计了基于自由递阶切换模式的离散变结构控制器,并进行了仿真研究。结果表明,当趋近律参数选择合适时,采用变结构控制的主轴系统在外扰动作用下具有良好性能,其动态稳定性及对系统自身特性变化的适应能力明显强于PID控制器。此外,变结构控制系统在变切厚情况下的控制效果也明显优于PID控制器。 仿真表明,对于再生颤振情况,单纯依靠磁轴承不能有效抑制主轴振动。为此,本文采用辨识颤振频率和主轴转速在线调节的方法,与磁轴承控制相结合抑制主轴振动,取得良好效果。 首次提出无传感器磁轴承的变结构控制方案,建立了无传感器磁悬浮主轴系统动力学模型,设计出基于最终滑动模态切换模式的离散变结构控制器。仿真结果表明,采用变结构控制的无传感器磁悬浮主轴系统对于外扰动及系统模型摄动的鲁棒性、以及在变切厚情况下的控制效果均明显强于PID控制器。由于无传感器磁轴承的使用能够降低主轴系统的硬件成本,而且不存在传感器—电磁作动器非并置问题,因此具有广泛的工程应用前景。 针对柔性转子—磁轴承系统设计了基于固定切换顺序的变结构控制器,并进行了仿真研究及实验验证。结果表明,变结构控制器对于因模态截断及非并置问题导致的未建模动态以及因系统自身特性变化而导致的参数摄动具有不敏感性,系统在上浮过程、受到外界扰动及复杂运转情况下的性能均优于PID控制器。以上结果表明,本文研究的变结构控制律在转子主动控制领域具有很好的工程应用前景。 本文的研究对于发展高速加工技术及丰富柔性转子系统主动控制方法具有重要的理论意义和工程应用价值。


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