磁力轴承的模糊控制与数字滤波算法研究

【摘要】：主动磁力轴承(以下简称磁力轴承)是利用可控磁场力使转子稳定悬浮的一种新型高性能轴承。它将作为滚动轴承和滑动轴承等传统机械轴承的更新换代产品,成为21世纪最有发展前途的主导轴承。磁力轴承必须在控制系统的协助下才能正常工作,因此,控制器性能的好坏直接影响到磁力轴承的动态性能和转子的控制精度。本文重点分析控制算法与滤波算法。 磁力轴承是一个本质不稳定系统,为此,必须引入微分环节,实际控制中通常采用PID控制。文中介绍了几种改进型的PID控制算法,并对常被忽视的积分饱和现象提出了Simulink仿真解决方案。针对PID参数常规整定方法的不足,运用线性规划中的单纯形法,结合改进的ITAE性能指标对PID控制器的三个参数进行了优化。 磁力轴承具有非线性,而传统PID控制器是按照线性化理论进行设计,不能有效控制转子的大范围起浮。结合PID控制器的高精度与模糊控制器的鲁棒性以及比例控制的快速性,文中提出了比例—模糊—PID多模控制器,仿真结果表明该控制器能使转子快速平稳起浮,且无稳态误差。 为克服单凭经验确定模糊控制规则的缺陷,并避免控制规则定义中的空档现象,文中通过解析方法分析设计了四修正因子模糊控制器和拟合修正因子模糊控制器。通过对优化得到的四个修正因子运用一个三阶多项式进行最小二乘法逼近,得到拟合修正因子模糊控制器。仿真结果表明拟合修正因子模糊控制器有效地改善磁力轴承转子起浮的动态性能和悬浮的稳态性能。 滤波器用于对信号进行频域上的变换处理,可用于改善磁力轴承控制系统性能。本文采用对模拟滤波器数字化的双线性变换方法得到低通IIR数字滤波器。运用MATLAB信号处理工具箱的命令函数对实际采样的位移信号进行低通滤波,时域和频域的仿真结果都表明所设计的IIR滤波器具有良好的滤波效果。