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磁液双悬浮轴承多自由度解耦与抗干扰控制研究

曹俊波  
【摘要】:磁液双悬浮轴承采用电磁悬浮与液体静压两种混合支承形式,具有承载能力强、支承刚度大、无摩擦磨损、调节响应快速、主动控制性好的优点。但由于其数学模型复杂及非线性、磁液两系统承载力耦合、控制器复杂等难点,会影响磁液双悬浮轴承的稳定性与控制精度。因此,本文推导了五自由度磁液双悬浮轴承的数学模型,重点研究了其多自由度集中复合抗干扰与解耦控制系统。本文主要研究内容:(1)分析了磁液双悬浮轴承的机械结构、承载机理及控制调节原理,结合五自由度间的内在耦合规律以及控制精度要求,建立了径向四自由度集中控制及轴向单自由度分散控制系统的线性化动力学模型及状态空间方程。(2)针对轴向单自由度支承系统,建立了离散广义扩张状态观测器(GESO)抗干扰控制器,实时估计匹配(或不匹配)外干扰力引起的不确定性扰动,通过状态反馈法对轴向支承系统极点配置,利用反馈干扰补偿增益对外干扰力抑制消除。考虑采样周期,仿真验证离散GESO抗干扰控制器的控制精度及其抗干扰能力。(3)采用线性二次型最优控制状态调节器(LQ)和广义扩张状态观测器(GESO)构成用于径向四自由度支承系统集中控制的复合抗干扰控制器,并对比了不同转速下LQ控制的状态调节效果,仿真验证复合抗干扰控制器对不同类型干扰力的补偿抑制效果与控制精度。(4)研究了径向四自由度支承系统之间耦合干扰机理,并将其视为系统内部干扰,与外干扰力一起构成集总扰动;构造四个GESO解耦控制器,精确观测每个自由度上的集总扰动,并结合反馈干扰补偿增益对集总扰动补偿解耦,仿真分析对径向四自由度支承系统的解耦效果以及动态调节性能。


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