[发明专利]磁悬浮轴承多模型鲁棒无扰动切换控制方法

说明书

本发明公开了一种磁悬浮轴承多模型鲁棒无扰动切换控制方法，包括以下三个步骤：步骤一，区间不确定性度量，获得转速范围内的不确定性映射度量值；步骤二，区间鲁棒控制器设计，根据不同转速范围内的获得的不确定性映射度量值，基于鲁棒控制理论，设计不同转速下的鲁棒控制器，将鲁棒控制器转换为状态空间方程表达形式；步骤三，通过切换控制装置进行无扰动切换控制。本发明公开的一种磁悬浮轴承多模型鲁棒无扰动切换控制方法，可有效解决不同控制器切换过程中存在不稳定及抖振现象。

技术领域

本发明公开了一种磁悬浮轴承多模型鲁棒无扰动切换控制方法，属于磁悬浮轴承技术领域。

背景技术

随着磁悬浮轴承旋转机械正向高转速、轻结构、大跨度和柔性方向发展，磁悬浮轴承旋转机械对整机性能指标要求越来越高。作为其核心支承部件，磁悬浮轴承工作转速要求每分钟几千转到数十万转的范围内变动。因此在整个升速、降速过程中，转子系统要跨越数个模态频率，陀螺力矩影响随着转速的升高不断增加，转子系统的动态特性在大转速范围内变化过程中急剧变化。而现有的磁悬浮轴控制器的设计中，大多都忽略时变陀螺矩阵，根据线性时不变系统假设而设计对应的控制器。

鲁棒控制策略是将线性时变的陀螺矩阵作为系统的不确定性进行考虑，这种方法在陀螺效应没有急剧变化时是有效可行的。但是从低速到超高速整个升速过程中，根据单一模型所设计的单一的鲁棒控制由于具有较大的保守性，实践中面临诸多挑战。多模型多控制器切换控制策略是利用多个模型来逼近系统的动态特性，并且基于多个模型设计出多个控制器。这种控制器对复杂系统能达到较好的控制精度、跟踪速度以及稳定性，但不同控制器切换过程中存在不稳定及抖振现象。

发明内容

发明目的：本发明针对单一模型所设计的单一的鲁棒控制由于具有较大的保守性，实践中面临诸多挑战的缺点；而多模型多控制器切换过程中存在不稳定及抖振现象的缺点，提出了一种磁悬浮轴承多模型鲁棒无扰动切换控制方法，可有效解决不同控制器切换过程中存在不稳定及抖振现象。

技术方案：

一种磁悬浮轴承多模型鲁棒无扰动切换控制方法，包括以下三个步骤：

步骤一，区间不确定性度量，

(a)、在悬浮状态下，建立磁悬浮轴承柔性转子的动力学方程，

(b)、获得转子模型状态空间，对应得到转子模型传递函数，

(c)、建立电控系统传递函数，联立转子模型传递函数，获得柔性转子磁悬浮轴承机电一体化模型传递函数，

(d)、根据柔性转子磁悬浮轴承系统运行情况，设定转速范围，将在不同转速范围内相应转速下限处的系统模型作为名义模型，

(e)、以转速为变量，计算两模型在Nyquist曲线上的映射度量，获得转速范围内的不确定性映射度量值；

步骤二，区间鲁棒控制器设计，根据不同转速范围内的获得的不确定性映射度量值，基于鲁棒控制理论，设计不同转速下的鲁棒控制器，将鲁棒控制器转换为状态空间方程表达形式；

步骤三，通过切换控制装置进行无扰动切换控制。

进一步地，步骤一(a)中，磁悬浮轴承柔性转子的动力学方程如下：

式中，M_R，C_R，G_R，K_R分别表示转子质量矩阵，转子结构阻尼矩阵，陀螺效应矩阵，转子刚度矩阵，Ω表示转子工作转速；q分别为转子的运动加速度、速度与位移；k_x与k_i为磁悬浮轴承的自身系数。

进一步地，步骤一(b)中，转子模型状态空间为：

令