[发明专利]基于并联式有限维重复控制的磁轴承系统谐波电流抑制方法

说明书

本发明公开了一种基于并联式有限维重复控制的两自由度磁轴承系统谐波电流抑制方法。该方法包括如下步骤：首先建立包含转子不平衡和位移传感器谐波噪声的两自由度磁轴承转子动力学模型；然后以功放系统为被控对象，以线圈电流为被控变量，利用并联式FDRC设计磁轴承系统谐波电流抑制；最后设计并联式FDRC控制器参数，并分析系统稳定性，在保证闭环系统稳定的前提下实现两自由度磁轴承系统谐波电流抑制。本发明可以根据谐波电流抑制精度要求合理选择FDRC的阶数，克服了传统重复控制中低通滤波器对抑制精度与系统稳定性的影响；控制器参数设计时直接考虑功放低通特性对谐波电流抑制精度影响，不需要对功放系统另外设计补偿环节。

技术领域

本发明属于磁轴承系统主动振动控制领域，具体涉及一种基于并联式有限维重复控制的磁轴承系统谐波电流抑制方法，用于包含转子不平衡和传感器谐波噪声的两自由度磁轴承系统谐波电流抑制。

背景技术

随着未来高分辨率对地观测、深空探测、星间激光通信等超高分辨率卫星的发展，超静超稳与敏捷机动成为衡量卫星平台性能的两项重要指标。越来越高的分辨率指标对卫星平台的指向精度和姿态稳定度要求越来越高，从而对星上振动源越来越敏感。高速旋转的惯性执行机构引起的低幅高频振动是卫星平台的主要振动来源，成为“超静超稳”平台发展的主要瓶颈。磁悬浮惯性执行机构采用磁轴承支承，使得磁悬浮转子无接触高速旋转，自身的振动状态良好。此外，还可以改变自身的刚度系数和阻尼系数，进行主动振动，从而实现磁悬浮转子绕其惯性主轴旋转，从根本上解决惯性执行机构引起的高频振动，实现零振动。

根据控制目标分类，主动振动控制算法可分为零位移控制、零电流控制和零振动控制三类。零位移控制目标是使磁悬浮转子绕几何轴旋转，以提高旋转精度，适合对转子旋转精度要求很高的场合。因此，该类方法不适合应用在磁悬浮惯性执行机构。零电流控制就是忽略位移传感器信号中振动相关信号，从而抑制多谐波电流。对于纯电磁力的磁轴承系统而言，由于轴承力只与线圈电流有关，衰减谐波电流即可使磁悬浮转子绕惯性轴旋转，即零电流控制等同于零振动控制。但是永磁偏置混合磁轴承的轴承力不仅与线圈电流有关，还与转子位移有关。然而电流刚度力在磁轴承系统总磁力中占有较大比例，抑制谐波电流能抑制大部分谐波振动。

磁轴承谐波电流抑制通常采用最小二乘算法、状态观测器和重复控制等方法。重复控制由于设计简单，易于实现，最近被广泛研究。然而重复控制器的加入使得闭环系统引入了无穷多个虚极点，影响系统稳定性。为了改善闭环系统稳定性通常内嵌低通滤波器，使得在低通截止频率范围内的有限个虚极点起作用。因此，重复控制抑制多谐波电流的效果与低通滤波器有大关系。随着转子转速的升高，算法对高频振动的抑制能力随之下降。振动测试实验表明磁轴承系统谐波电流主要分布于转频相关的前几阶倍频处，因此只需要有限维重复控制器抑制前几阶谐波电流就能满足系统要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，发明一种基于并联式有限维重复控制的磁轴承系统谐波电流抑制，利用并联式FDRC实现谐波电流抑制，在参数设计时充分考虑功放低通特性的影响。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案是：一种基于并联式有限维重复控制的磁轴承系统谐波电流抑制方法，包括以下步骤：

(1)建立含转子不平衡和位移传感器谐波噪声的两自由度磁轴承转子动力学模型

对于两自由度磁轴承系统，x轴和y轴两通道相互解耦，若x轴和y轴的位移刚度系数和电流刚度系数相同，当磁悬浮转子在平衡位置附近运动时，包含转子不平衡和位移传感器谐波噪声的两自由度磁轴承转子动力学模型为：