1. 单自由度磁悬浮轴承H∞控制策略研究课题背景与意义

电磁悬浮轴承是利用磁力实现无接触的新型轴承,具有无接触、不需要润滑和密封、振动小、使用寿命长、维护费用低等一系列优点,属于高技术领域。磁浮轴承的研制不仅可以填补国内空白,而且可以带动机电行业的很多相关企业进行产品结构调整,形成新的经济增长点。此外,电磁悬浮轴承的研制具有重要的国防应用价值,可为我国制以磁轴承支承的新一代航空发动机储备先进的科学技术。电磁悬浮轴承是典型的机械电子学产品,机械电子学是融机械工程、电气工程、计算机科学于一体的跨学科工程领域。

尽管对磁力轴承基本原理方面的研究均已完成, 但普遍存在的轴承转子系统在高速运行时的稳定性问题已成为这一技术推广应用的瓶颈。而分析研究磁力轴承转子系统特性的困难在于磁力轴承支承特性(刚度和阻尼) 的确定, 因为磁力轴承是一个复杂的机、电、磁耦合系统, 无法使用传统的滑动轴承或滚动轴承的刚度、阻尼系数计算方法。磁力轴承控制系统属于强耦合系统,存在着很强的非线性。难以建立精确的数学模型. 为了实现高精度的控制,经常采用复杂的控制算法。

就目前磁力轴承的应用环境来看，大部分都工作在情况较为复杂的环境下。它的特点是具有强干扰和扰动(它包含有轴承内部电磁场之间的内部耦合和来自轴承外部工业现场的扰动信号)。一般情况下的抗干扰采用金属屏蔽的方法，但它对解决干扰和扰动的能力相当有限，这种情况下需要从其它方面提高系统的抗干扰能力。目前的做法是通过提高控制器的鲁棒性来提高整个系统的性能但这种具有较高鲁棒性的控制器的设计正是当今磁力轴承研究界研究的重点和难点。

电磁悬浮轴承技术的发展是由于现代工业对新一代支承技术的需求推动的。随着现代工业的发展,对旋转机械提出了各种越来越苛刻的性能要求。在能源化工机械中,要求转子的旋转速度和精度越来越高、转子和定子之间的间隙越小越好以追求更高的效率。而对另一些工作在极端高温或低温环境下的军工、航空航天领域的旋转机械来说,除了要求能够承受严酷的环境考验之外,对于支承的可控性、安全及可靠性的考虑往往是第一位的。

与其他机械相比,旋转机械的最大特点在于:转子运动始终被约束在间隙比较小的空间内。这种间隙比,对于传统的油润滑轴承来说,大致在 1/ 1000～5/ 1000 范围内。由于转子在运行中所受到的各种激励作用,这种小间隙约束是很容易遭到破坏的,这也是支承之所以成为制约高性能旋转机械进一步发展的关键技术的原因。

对于新一代支承技术性能指标的要求为(1) 高转速:从每分钟数十转到数十万转; (2) 高精度:要求支承具有良好的动态性能。例如:转子的动态振幅要求控制在一定的范围内; (3) 可控性; (4) 对于各种严酷环境的适应性; (5) 可靠性。迄今为止,能够同时满足上述要求,可投入实际工程应用的支承技术当首推主动控制的电磁轴承。

主动磁轴承是一种典型的机械电子产品,它具有无接触、无摩擦、无磨损、不需要润滑和密封等一系列优良品质. 随着现代电子技术和现代控制技术的不断发展,主动磁轴承的研究越来越引起人们的广泛关注。

磁轴承控制系统的作用就是根据转子的悬浮状态主动地调节磁场来产生控制力从而保持转子的稳定悬浮. 磁轴承转子通常带有各种负载,要求转子悬浮时具有很好的抗各种负载扰动的能力. 传统的磁轴承转子的悬浮控制采用的是将非线性模型在工作点附近线性化,然后进行常规控制器的设计. 但由于磁轴承具有本质不稳定性、非线性和参数不确定性,常规控制器难以取得理想的控制效果,比如超调量大、初期振荡严重、稳定太慢及鲁棒性不强等,因此寻求控制品质更高的智能控制方案一直是控制研究者努力的方向。

PID 调节方法是电磁轴承控制系统中一种常用的有效控制方法。常规的线性PID 调节器增益参数是固定的，而用这种固定参数调节器设计常存在着超调量大，初期振荡严重，系统稳定速度慢及鲁棒性不强等特点，且 PID 参数的选择需要一定得工程经验，使得控制系统有时很难达到满意的控制效果。为了克服这一问题，近年来一些学者提出利用非线性特性来改造常规 PID 调节器。非线性控制器对位置伺服系统的性能提高有着明显的影响，同时可以可虑将非线性控制器与神经元 CMAC 算法进行并行控制进一步提高系统性能。