多跨转子系统多频传递力主动控制
Active control with multi-frequency transmission force of multi-span rotor system
通讯作者:
收稿日期: 2019-01-27
Received: 2019-01-27
作者简介 About authors
徐晖(1995—),男,硕士生,从事转子传递力主动控制.orcid.org/0000-0002-7516-0135.E-mail:
设计一种用于传递力控制的电磁执行器与滑动轴承组合的混合轴承,分析混合轴承的工作原理. 采用有限单元法建立一个多盘多跨转子系统的动力学模型,分析圆盘处的扰动力和轴承处控制力对轴承传递力的影响. 基于误差信号子带滤波理论提出一种由多个单频力控制器并联而成的变步长自适应控制算法. 在MATLAB/Simulink平台上建立双跨转子系统传递力主动控制仿真模型并进行数值仿真. 结果表明,提出的多频力控制方法可以对误差信号进行有效地滤波,能够对多跨转子系统的多频传递力进行有效地抑制.
关键词:
Firstly, a hybrid bearing, combining the electromagnetic actuator and journal bearing, was designed to control the multi-frequency transmission force in multi-span rotor system, and the operation principle was analyzed. Then, a dynamic model of the multi-span rotor system with multi-disc was built by the finite element method, and the influence of the disturbance force at the disc and the control force at the bearing on the transmission force was analyzed. Next, an iterative algorithm with variable step size was proposed based on sub-band filtering of error signal. Finally, the numerical model of multi-frequency forces transmitted to the base in two-span rotor system was built in MATLAB/Simulink platform and numerical simulations were carried out. The simulation results indicate that the proposed algorithm can effectively extract the error signal at different frequencies and suppress the multi-frequency transmission force of multi-span rotor system.
Keywords:
本文引用格式
徐晖, 祝长生.
XU Hui, ZHU Chang-sheng.
大型旋转机械的转子一般采用多跨串联的连接方式. 旋转机械在运行过程中,由于受到不平衡量、流体激励、电磁激励等因素的影响,转子不仅会产生多频振动,还会通过轴承等部件传递给基础一定的力,这个传递力会引起旋转机械基础的振动,产生一系列不良影响.
减小转子系统传递力的方法有被动控制方法和主动控制方法. 传统被动控制方法在高频段具有良好的控制效果,但在低频段的控制效果变差,而且缺乏跟踪和调节能力[1]. 主动控制方法能在线改变支撑的动力学特性,在高频段和低频段都具有良好的控制效果.
针对电磁轴承转子系统多频传递力控制问题,目前主要有2种控制策略:一种是由多个单频力控制器并行控制,在多个频率点执行相同的单频力控制方法;另一种是通过估计多频扰动力信号,采用自适应控制方法使设定的目标函数收敛. 对于第一种方法,Peng等[14]通过采用多个数字化滤波器并列而成的多频共振器,实现了对磁悬浮飞轮转子系统由于不平衡量以及传感器误差产生的多频激扰力的抑制. Zenger等[15]设计了一种由多个滤波器并联而成,通过定步长最小均方算法来提取多频干扰信号的前馈控制器. 对于第二种方法,Setiawan等[16]利用Lyapunov函数提出了一种可以同时抑制多频激扰力的控制方法. Cui等[17]基于周期性时延内膜原理提出了一种改进的重复控制方法,以消除基频及其倍频扰动信号,并通过重构谱和最小增益定理对系统的稳定性进行判定. 第一种方法控制简单、灵活,但是控制器的结构需要随着激扰力频率个数的改变而改变;第二种方法虽然控制器结构可以不受外激扰力信号中频率个数的影响,但是算法本身比较复杂,不易理解. 无论是哪种方法,目前对传递力的主动控制主要局限在刚性转子系统,鲜有开展多跨复杂转子系统传递力主动控制的文章.
为了解决多跨转子系统多频传递力的主动控制问题,首先,设计一种用于多跨转子系统传递力控制的由电磁执行器与滑动轴承组合而成的混合轴承并分析其原理;其次,采用有限元法建立一个多盘多跨转子系统的动力学模型,分析轴承传递力主动控制的原理;然后,提出一种基于误差信号子带滤波的变步长自适应并联控制算法;最后,建立一个双跨转子系统轴承传递力主动控制仿真模型,并进行数值仿真,分析不同控制方式对轴承传递力控制有效性的影响.
1. 多跨转子传递力主动控制系统模型
1.1. 混合轴承的结构及工作原理
为了减小多跨转子系统多频传递力主动控制中增加的执行器对原转子系统结构及动力学特性的影响,设计如图1所示将电磁执行器内置在固定瓦滑动轴承上的混合轴承结构.
图 1
为了将电磁执行器内置在滑动轴承结构中,在原来固定瓦滑动轴承的外侧周向设计8个带有线圈的磁极,磁极的内侧固定在滑动轴承的外圆上,再在滑动轴承外圆与磁极槽底之间按照需要设置8个支架,轴承上的力通过磁极及支架传递到轴承座上.
当给磁极上的线圈供电时,产生一个作用在转子上的电磁力. 一般情况下,将同一坐标轴的2个定子极绕组进行串联,形成4组串联绕组,在4个方向上对转子施加电磁力.
为了方便对电磁力进行线性控制,每个方向上的2对磁极采用如图2所示的差动控制方案. 当转子向上偏移x时,转子和上端磁极间的气隙变为
图 2
式中:
1.2. 多跨转子动力学模型
如图3所示为本研究采用的一个多盘多跨转子系统模型,转子分别由若干个滑动轴承或内置电磁执行器的混合轴承来支承。为了评价传递力的控制效果,在每个轴承座与基础之间安装力传感器,以测量施加控制前、后传递力的大小.
图 3
在用有限单元法对整个转子系统进行建模时,轴段采用弹性轴单元,联轴器采用集中质量单元,滑动轴承采用线性化的无耦合四系数动力学模型.
基于有限单元法建立的具有N个节点的多跨转子系统的运动微分方程为
式中:
式中:
轴承的传递力与混合轴承中的电磁执行器是否处于工作状态有关. 以第p个节点处的混合轴承为例,在电磁执行器未处于工作状态时,轴承p处的传递力为
式中:
当第p个节点处混合轴承中的电磁执行器处于工作状态时,给转子施加控制力
式中:
转子系统传递力主动控制的目标就是通过混合轴承中的电磁执行器对轴系施加控制力
2. 多频力主动控制算法
多跨转子系统多频传递力主动控制算法如图4所示. 其中,
图 4
图 4 多跨转子系统多频传递力主动控制系统
Fig.4 Active control of multi-frequency transmission forces of multi-span rotors system
为了实现对转子系统多频传递力的主动控制,采用在不同频率点执行同样的单频力控制的方法. 整个控制器的内部结构如图5所示,滤波模块根据速度传感器传来的转速信号
图 5
图 5 多频传递力控制器内部框图
Fig.5 Internal block diagram of multi-frequency transmission force controller
2.1. 主控制器
图6是最常见的基于LMS算法的自适应控制器原理图,其中,Z–1表示延时,w0(n), w1(n), ···, wL−1(n)表示L个权值. 参考信号
图 6
控制器的输出信号为
反馈的误差信号为
瞬时均方误差为
瞬时均方误差
为了使目标函数最小化,利用梯度下降法可得权矢量的更新公式为
式中:u 为迭代步长。
对于控制的实时性来说,迭代步长u越大越好,但是过大的迭代步长可能会导致算法发散. Butterweek等[19]利用“波”理论,将多延时抽头的长横向滤波器等效为无限长的传输线,将输出信号等效成向无穷远处传播的波,这样就可以得到保证控制器收敛的迭代步长与输入信号功率谱之间的关系:
式中:
根据式(11),算法收敛的最大迭代步长
1)将参考信号
2)每个控制器的参考信号
为了解决传统定迭代步长LMS算法中收敛速度与稳定性之间的矛盾. 采用一种变迭代步长的迭代方法. 变迭代步长
式中:α及β分别为变迭代步长的幅值系数和变化系数.
不同α、β取值情况下,迭代步长随误差信号的关系如图7所示. 在α不变时,β越大,步长u与误差的变化曲线越陡峭. 在β不变时,α越大,步长u的变化范围越大. 可见,采用式(12)的变迭代步长进行迭代后,当误差信号较大时,迭代步长u取值比较大,此时算法迭代速度较快;当误差信号变小时,迭代步长u会逐渐变小,以减少稳态误差.
图 7
图 7 不同α、β取值情况下步长与误差信号变化关系图
Fig.7 Relationship between step size and error signal with different α and β values
主控制器由多个单频力控制器并联而成,其内部结构如图8所示.
图 8
第i倍频扰动力对应的控制信号为
当没有滤波模块时,控制器输入的总误差信号为
此时,若第i倍频力的控制器直接根据总的误差信号
2.2. 数字滤波模块
多跨转子系统多频传递力控制器输入的总误差信号可表示为
在理想情况下,当第i倍频的传递力被完全抑制,即
图9是数字滤波模块的内部结构图. 首先根据速度传感器测量得到的转速信号,构建出不同频率处的参考信号
图 9
数字滤波器采用定步长LMS算法进行自适应滤波,以第i倍频为例,构造目标函数:
式中:αi及βi分别为反馈的误差信号中第i
此时,数字滤波器输出的第i倍频对应的误差信号为
误差信号
由式(24)可知,通过对力传感器传递来的总的误差信号
3. 多跨转子系统传递力主动控制仿真结果及分析
3.1. 多跨转子有限元建模
表 1 双跨转子系统参数表
Tab.1
参数名称 | 数值 | 单位 |
圆盘直径 | 300 | mm |
圆盘宽 | 30 | mm |
圆盘密度 | 7 753 | kg/m3 |
转子A及B轴的直径 | 60 | mm |
转子A长 | 1 200 | mm |
转子B长 | 900 | mm |
轴密度 | 7 853 | kg/m3 |
弹性模量 | 2.07×1011 | N/m2 |
泊松比 | 0.3 | − |
转子A前轴承位置 | 300 | mm |
转子A后轴承位置 | 1 000 | mm |
联轴器位置 | 1 000 | mm |
联轴器质量 | 1 | kg |
转子B前轴承位置 | 1 400 | mm |
转子B后轴承位置 | 1 800 | mm |
各滑动轴承的等效刚度 | 2×107 | N/m |
各滑动轴承的等效阻尼 | 3×103 | N/(m·s−1) |
图 10
3.2. 仿真结果与分析
仿真采用的主控制器长度
为了验证所提出的多频力主动控制算法的有效性,以及分析在不同位置进行传递力主动控制对整个转子系统传递力的影响,在仿真过程中,假设转子系统的外激扰力都集中在悬臂圆盘处,其由频率分别为3、6、15、30及45 Hz,幅值分别为20、20、50、50、50 N的同相位周期性激扰力以及幅值为20 N的白噪声叠加而成.
考虑在转子A前、后2个轴承施加主动控制力对整个双跨转子系统传递力及轴承处转子振动位移的影响. 图11给出了控制前、后转子A前、后2个轴承处在x方向的传递力FT1, x/FT2, x和2个轴承处转子振动位移d1, x /d2, x;转子B前、后2个轴承处的传递力FT3, x /FT4, x和振动位移d3,x/d4,x,以及转子A前、后2个轴承处施加的控制力Fa1, x及Fa2, x的时间历程波形图.
图 11
图 11 转子A上施加控制后各轴承处转子的振动及传递力波形
Fig.11 Waveform of rotor vibrations and control forces at bearings with control on rotor A
从图11中可以看出,施加主动控制力后,FT1,x及FT2,x得到了大幅度的衰减,但FT3,x及FT4,x有
为了进一步分析在转子A前、后2个轴承处采用主动控制后,传递力在不同频率处的控制效果,图12给出了传递力控制前、后各轴承传递力的频谱图.可以看出,在转子A前、后2个轴承处进行主动控制后,虽然转子B前、后2个轴承的传递力增大了,但是其增大的幅值要比转子A前、后2个轴承传递力衰减的幅值小得多.
图 12
图 12 转子A上施加控制力前、后各轴承传递力频谱形
Fig.12 Spectrogram of transmission force of bearings with and without control on rotor A
为了说明带有误差信号子带滤波模块的变步长自适应控制器的工作过程. 图13给出了转子A前轴承x方向的控制器中的滤波模块在各个特征频率处输出的误差信号
图 13
图 13 转子A上施加控制力前、后转子A前轴承误差滤波器输出与主控制器参数轨迹
Fig.13 Bearing error filter output of rotor A and main controller parameter with and without control on rotor A
从图中可以看出,在3 s开启控制后,刚开始数字滤波器输出的各个频率的误差信号
图 14
图 14 转子B施加控制力后各轴承传递力频谱形
Fig.14 Spectrogram of transmission force of bearings with control on rotor B
考虑在转子A及转子B上的4个轴承处均施加控制力的控制效果. 图15给出了转子A及转子B上4个轴承处均施加控制后,4个轴承处传递力的频谱图.
图 15
图 15 转子A和B上均施加控制力后各轴承传递力频谱形
Fig.15 Spectrogram of transmission force of bearings with control both on rotor A and B
4. 结 论
(1) 在一般的滑动轴承中,集成电磁执行器的混合轴承能够在不改变转子系统结构的情况下对转子施加所需的主动控制力.
(2) 提出的基于误差信号子带滤波的变步长自适应并联控制算法,能够对误差信号进行有效的滤波,并避免不同频率的传递力信号间的相互影响,能够对多跨转子的多频传递力进行有效地抑制.
(3) 主控制器通过采用基于双曲正切函数的变步长迭代算法,可以很好地解决自适应控制器收敛速度与稳定性之间的矛盾.
(4) 在多跨转子每个轴承处均施加主动控制,可以使每个轴承处的传递力都得到有效的控制. 在部分轴承处施加主动控制,可能出现该轴承处的传递力得到效控制,而其他轴承处传递力增大的问题.
(5) 在多跨转子传递力的主动控制中,如何确定混合轴承的最小个数及最佳位置有待进一步研究.
参考文献
Passive vibration isolation
[J].
Control of an AMB to zero static force
[J].
Optimizing control for rotor vibration with magnetorheological fluid damper
[J].
Experimental study on active structural acoustic control of rotating machinery using rotating piezo-based inertial actuators
[J].DOI:10.1016/j.jsv.2015.03.013 [本文引用: 1]
Suppression of vibration caused by residual unbalance of rotor for magnetically suspended flywheel
[J].DOI:10.1177/1077546312449643 [本文引用: 1]
Active magnetic bearing online levitation recovery through μ-synthesis robust control
[J].
Oil whip elimination using fuzzy logic controller
[J].
Auto balancing control for MSCMG based on sliding-mode observer and adaptive compensation
[J].
Multi-frequency periodic vibration suppressing in active magnetic bearing-rotor systems via response matching in frequency domain
[J].DOI:10.1016/j.ymssp.2010.11.012 [本文引用: 1]
电磁轴承高速电机转子多频振动的电流补偿控制
[J].
Current compensation control of multiple frequency vibrations of the rotor in active magnetic bearing high speed motors
[J].
Vibration suppression control for AMB supported motor driveline system using synchronous rotating frame transformation
[J].
Frequency varying current harmonics elimination for active magnetic bearing system via multiple resonant controllers
[J].
Suppression of harmonic current in active–passive magnetically suspended CMG using improved repetitive controller
[J].DOI:10.1109/TMECH.2016.2555858 [本文引用: 1]
A wave theory of long adaptive filters
[J].
/
〈 |
|
〉 |
