一种磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制方法，步骤：建立包含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型，基于二阶双模奇次重复控制器对磁悬浮转子奇次谐波振动力进行抑制，最后采用粒子群算法对二阶双模奇次重复控制器的权重因子和控制增益进行参数离线优化。二阶双模奇次重复控制器能实现奇次谐波分量的精确抑制，提高系统在转子转频摄动时的频率波动鲁棒性，同时减少延迟单元数以提高计算效率，加快系统的收敛速度。本发明专利技术中的二阶双模奇次重复控制器结构简单，在实际应用中很方便，适用于存在转子质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子系统奇次谐波振动力的抑制。谐波的磁悬浮转子系统奇次谐波振动力的抑制。谐波的磁悬浮转子系统奇次谐波振动力的抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制方法


[0001]本专利技术涉及磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制的
，具体涉及一种磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制方法，基于粒子群参数优化二阶双模奇次重复控制器实现，用于对磁悬浮控制力矩陀螺转子系统中奇次谐波振动力进行抑制，为磁悬浮控制力矩陀螺在“超静”、“超稳”卫星平台上的超敏捷动中成像应用提供技术支持。

技术介绍

[0002]控制力矩陀螺以其输出力矩大、控制精度高、动态响应快的优点，成为了敏捷机动卫星理想的姿态控制执行机构。相比于传统的机械轴承控制力矩陀螺，磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)采用主动磁轴承实现转子的无接触悬浮，从根源上解决了机械轴承的摩损问题，具有无摩擦、无需润滑、低噪声、大转速、长寿命的突出特点，且可通过设计算法实现主动振动控制。因此MSCMG是空间应用技术中具有卓越发展潜能的惯性执行机构。
[0003]磁悬浮转子系统的主要振动源为转子几何轴和惯性轴不重合产生的质量不平衡和闭环控制系统中位移传感器引入的传感器谐波。这些振动源是材料不均匀以及加工装配误差引起的，在实际工程中是不可避免的。质量不平衡包括静不平衡和动不平衡，静不平衡产生与转子转速同频的振动力；传感器谐波产生与转子转速同频和倍频的谐波振动力。磁悬浮转子产生的谐波振动力通过基座传递到航天器平台，会严重影响载荷性能，造成超敏捷机动卫星成像质量的下降，甚至会破坏系统的稳定性，导致航天器部件的损坏。因此抑制磁悬浮转子系统的谐波振动力是磁轴承控制领域中一项亟待解决的关键性技术。
[0004]当前磁悬浮转子系统动力学模型都是基于磁轴承力线性化的条件建立的。线性化磁轴承力包含电流刚度力和位移刚度力两部分，其中电流刚度力占磁轴承振动力的主要部分，因此抑制磁轴承线圈电流中的谐波分量可以消除大部分振动力。而磁悬浮转子系统线圈电流的主导谐波分量为奇次谐波分量，因此针对奇次谐波电流进行抑制十分必要。
[0005]常用于磁悬浮转子系统的谐波振动抑制方法有陷波滤波器、重复控制、多谐振控制、LMS算法等。重复控制基于内模原理，可同时实现多频扰动的抑制。然而传统重复控制器存在频率波动灵敏度高、占用内存较大、动态响应速度较慢的缺点，限制了算法的抑制效果。而针对传统重复控制器的结构进行改进设计的高阶重复控制器会在系统中引入较多的控制参数，如何选取最优参数以实现系统性能要求的进一步提升具有重要研究意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种磁悬浮转子谐波振动力抑制方法，采用二阶双模奇次重复控制器实现奇次谐波振动力的抑制，并根据提出的闭环系统稳定性判据，利用粒子群算法对重复控制器的控制增益和权重因子进行离线参数优化，这不仅能提高系统频率波动鲁棒性，减少延迟时间和占用的内存，加快瞬态响应速度，提高谐波抑制精度，还能根据性能指标的要求，智能化选取更为合适的控制参数。
[0007]本专利技术采用的技术方案为：一种磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制方法，其特征在
于：基于粒子群参数优化二阶双模奇次重复控制器实现，包括以下步骤：
[0008]步骤1：建立包含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型，如下：
[0009][0010]所建立的磁悬浮转子动力学模型等号左侧表示磁悬浮转子产生的磁轴承力，等号右侧表示磁悬浮转子在质量不平衡和传感器谐波两个扰动源的作用下产生包含谐波分量的磁轴承振动力，式中，m为转子的质量；x
I
和y
I
分别为转子在X轴、Y轴方向的平动位移；Δq
x
和Δq
y
分别为转子在X轴、Y轴方向的静不平衡分量；q
srx
和q
sry
分别为转子在X轴、Y轴方向的传感器谐波分量；G
c
(s)为磁轴承控制器的传递函数；G
w
(s)为功率放大器的传递函数；k
s
为位移传感器的增益系数；k
i
和k
h
分别为电流刚度和位移刚度；s为拉普拉斯算子；
·
(s)为对应物理量的拉普拉斯变换表达式；
[0011]步骤2：基于步骤1中的磁悬浮转子动力学模型，设计基于二阶双模奇次重复控制器，实现磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制；
[0012]设计二阶双模奇次重复控制器，在二阶双模奇次重复控制器中引入提高频率波动鲁棒性的权重因子w，以及调节响应速度和稳态精度的控制增益k1、k2；以谐波电流作为基于二阶双模奇次重复控制器的输入，使二阶双模奇次重复控制器在奇次谐波频率点处产生无穷增益，并将基于二阶双模奇次重复控制器的输出反馈至磁悬浮转子系统的功率放大器输入端，实现奇次谐波振动力的有效抑制；同时针对加入二阶双模奇次重复控制器的磁悬浮转子系统，提出一个新的稳定性判据，根据稳定性判据设计相位补偿环节并选取恰当的权重因子和控制增益，在保证加入基于二阶双模奇次重复控制器后闭环系统稳定性的同时，兼顾闭环系统的频率波动鲁棒性和动态特性；
[0013]步骤3：采用粒子群算法对二阶双模奇次重复控制器的参数进行离线优化
[0014]基于步骤2中的稳定性判据，确立了二阶双模奇次重复控制器中权重因子w和控制增益k1、k2三个参数的取值范围，建立基于二阶双模奇次重复控制器的磁悬浮转子系统仿真模型，将参数w、k1、k2作为粒子群内一个粒子的三个维度，选择时间乘绝对误差积分(ITAE)准则作为适应度函数，通过粒子群算法智能化选取权重因子和控制增益的最优参数值；在二阶双模奇次重复控制器中使用粒子群算法优化后的参数值，完成磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制。
[0015]所述步骤2中，设计的二阶双模奇次重复控制器的传递函数为：
[0016][0017]式中，为二阶双模奇次重复控制器的内模传递函数；k1、k2分别为二阶双模奇次重复控制器两个通道的控制增益；w为权重因子；N为延迟单元数，等于采样频率和转子转频的比值；Q(z)为提高系统稳定性的低通滤波器，截止频率为ω
c
；C(z)为使闭环系统满足稳定性判据的相位补偿函数；L(z)＝z
L
为具有一
固定超前角θ
L
(ω)＝LωT
s
的线性相位超前补偿函数；
·
(z)为对应物理量的z变换表达式；
[0018]所述步骤2中，加入二阶双模奇次重复控制器后磁悬浮转子系统的稳定性判据表述为：
[0019]令控制增益k1＝k2＝k
rc
，若满足下列条件，则加入二阶双模奇次重复控制器后的磁悬浮转子系统是渐近稳定的：
[0020]条件1：原始的磁悬浮转子系统是渐进稳定的；
[0021]条件2：加入二阶双模奇次重复控制器后磁悬浮转子系统的控制增益k
rc
、权重因子w和相位λ(ω)满足下式：
[0022][0023]式中，ω为角频率；λ(ω)＝θ
c
(ω)+θ
f
(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制方法，其特征在于：基于粒子群参数优化二阶双模奇次重复控制器实现，包括以下步骤：步骤1：建立包含质量不平衡和传感器谐波的磁悬浮转子动力学模型，如下：所建立的磁悬浮转子动力学模型等号左侧表示磁悬浮转子产生的磁轴承力，等号右侧表示磁悬浮转子在质量不平衡和传感器谐波两个扰动源的作用下产生包含谐波分量的磁轴承振动力，式中，m为转子的质量；x
I
和y
I
分别为转子在X轴、Y轴方向的平动位移；Δq
x
和Δq
y
分别为转子在X轴、Y轴方向的静不平衡分量；q
srx
和q
sry
分别为转子在X轴、Y轴方向的传感器谐波分量；G
c
(s)为磁轴承控制器的传递函数；G
w
(s)为功率放大器的传递函数；k
s
为位移传感器的增益系数；k
i
和k
h
分别为电流刚度和位移刚度；s为拉普拉斯算子；
·
(s)为对应物理量的拉普拉斯变换表达式；步骤2：基于步骤1中的磁悬浮转子动力学模型，设计基于二阶双模奇次重复控制器，实现磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制；在二阶双模奇次重复控制器中引入提高频率波动鲁棒性的权重因子w，以及调节响应速度和稳态精度的控制增益k1、k2；以谐波电流作为基于二阶双模奇次重复控制器的输入，使二阶双模奇次重复控制器在奇次谐波频率点处产生无穷增益，并将基于二阶双模奇次重复控制器的输出反馈至磁悬浮转子系统的功率放大器输入端，实现奇次谐波振动力的有效抑制；同时针对加入二阶双模奇次重复控制器的磁悬浮转子系统，提出一个稳定性判据，根据稳定性判据设计相位补偿环节并选取权重因子和控制增益，在保证加入基于二阶双模奇次重复控制器后闭环系统稳定性的同时，兼顾闭环系统的频率波动鲁棒性和动态特性；步骤3：采用粒子群算法对二阶双模奇次重复控制器的参数进行离线优化，基于步骤2中的稳定性判据，确立二阶双模奇次重复控制器中权重因子w和控制增益k1、k2三个参数的取值范围，建立基于二阶双模奇次重复控制器的磁悬浮转子系统仿真模型，将权重因子w和控制增益k1、k2作为粒子群算法中粒子群内一个粒子的三个维度，选择时间乘绝对误差积分(ITAE)准则作为适应度函数，通过粒子群算法智能化选取权重因子和控制增益的最优参数值；利用二阶双模奇次重复控制器中使用粒子群算法优化后的参数值，完成磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制。2.根据权利要求1所述的磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制方法，其特征在于：所述步骤2中，设计的二阶双模奇次重复控制器的传递函数为：式中，为二阶双模奇次重复控制器的内模传递函数；k1、k2分别为二阶双模奇次重复控制器两个通道的控制增益；w为权重因子；N
为延迟单元数，等于采样频率和转子转频的比值；Q(z)为提高系统稳定性的低通滤波器，截止频率为ω
c
；C(z)为使闭环系统满足稳定性判据的相位补偿函数；L(z)＝z
L
为具有一固定超前角θ
L
(ω)＝LωT
s
的线性相位超前补偿函数；
·
(z)为对应物理量的z变换表达式。3.根据权利要求1所述的磁悬浮转子奇次谐波振动力抑制方法，其特征在于：所述步骤2中，所述步骤2中，加入二阶双模奇次重复控制器后磁悬浮转子系统的稳定性判据表述为：令控制增益k1＝k2＝k
rc
，若满足下列条件，则加入二阶双模奇次重复控制器后的磁悬浮转子系统是渐近稳定的：条件1：原始的磁悬浮转子系统是渐进稳定的；条件2：加入二阶双模奇次重复控制器后磁悬浮转子系统的控制增益k<...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔培玲，郑林子，王旭，李衍宾，于嘉伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：