基于电磁激励的滑动轴承轴心轨迹主动控制研究

论文摘要

非圆异形截面结构能够显著提高零件的性能和使用寿命,但由于非圆异形截面结构的特殊性,给此类零件的加工提出了难题。本文以基于电磁激励的滑动轴承系统的主轴运动轨迹控制为出发点,研究了转子运动轨迹的主动控制技术,以期为非圆异形截面零件的加工提供一种新方法。综合分析了传统的以及最新发展的各种加工非圆异形截面零件的方法以及伺服驱动装置,提出了基于电磁激励控制的滑动轴承中心轨迹的方法,来实现主轴按照预定非圆轨迹运动。实现思路是油膜力作为主要支撑力,电磁力作为控制力,通过伺服控制技术实时控制励磁电流,从而控制电磁铁与转子之间的作用力,从而达到控制转子运动轨迹的目的。对轴承系统进行了理论研究,建立了滑动轴承倾转主轴的运动模型和动力学模型,推导了主轴发生倾转时的油膜压力分布Reynolds方程,推导了油膜厚度方程。用差分法对油膜压力分布进行了计算,用辛普森积分法对油膜力矩进行了求解。推导了电磁力矩的表达式,用运动学方法对转子轴心轨迹进行了计算。基于轴承的局部线性化的模型建立了扰动压力Reynolds方程,对轴承系统八个特性系数进行了理论分析计算。研究了转速和励磁电流对特性系数的影响,建立了被控对象的无量纲动力学模型,对控制方案进行了分析。研究了滑动轴承系统基于鲁棒Hoo的控制方法,被控对象可观可控,可以通过状态反馈实现输入输出解耦。基于全局寻优的遗传算法设计鲁棒H∞混合灵敏度控制器,该控制器实现被控对象输出对参考信号的良好跟踪,并对外界扰动有一定的抑制作用,但由于解耦矩阵对模型摄动比较敏感,仅能容许模型小幅摄动。基于鲁棒H∞回路成形方法直接对耦合系统设计控制器,实现输入输出解耦,对控制器进行降阶处理,该控制器对模型摄动和外界扰动均有较好的抑制作用,满足鲁棒性能和鲁棒稳定性要求。对滑动轴承转子轨迹控制实验进行了设计,提出基于xPC Target的硬件在回路的控制仿真实验方法。搭建了xPC Target仿真平台,对xPC Target平台进行了通信和信号输入输出测试,对电容式位移传感器进行了标定,由于时间和实验条件有限,未完成硬件在回路仿真实验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究背景及意义
• 1.1.1 非圆异形截面零件加工概述
• 1.1.2 非圆异形截面零件加工的国内外最新发展
• 1.1.3 课题的提出
• 1.2 主动滑动轴承研究进展
• 1.3 基于Matlab的快速控制原型技术的控制器设计思路
• 1.3.1 RTW（Real-Time Workshop,实时工作间）
• 1.3.2 xPC Target
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 基于电磁激励控制的滑动轴承系统模型
• 2.1 基于电磁激励控制的滑动轴承系统整体结构
• 2.2 系统建模分析
• 2.2.1 转子运动描述
• 2.2.2 转子动力学方程
• 2.2.3 转子受力分析
• 2.2.4 Reynolds方程
• 2.3 Reynolds方程求解
• 2.3.1 网格划分与方程离散
• 2.3.2 超松弛迭代法
• 2.3.3 收敛准则
• 2.4 转子轨迹计算
• 2.5 控制方案
• 2.6 本章小结
• 第3章 滑动轴承动力特性计算及控制方案分析
• 3.1 线性油膜力矩模型
• 3.2 滑动轴承特性系数计算
• 3.3 扰动压力的Reynolds方程
• 3.4 速度参数对特性系数的影响
• 3.5 偏置励磁电流对特性系数的影响
• 3.6 本章小节
• 第4章 控制器设计及仿真
• ∞控制理论'>4.1 H_∞控制理论
• ∞控制问题描述'>4.1.1 H_∞控制问题描述
• ∞混合灵敏度控制问题'>4.1.2 H_∞混合灵敏度控制问题
• 4.1.3 加权函数的选取
• ∞回路成形设计'>4.1.4 鲁棒H_∞回路成形设计
• ∞混合灵敏度控制器设计'>4.2 基于遗传算法的H_∞混合灵敏度控制器设计
• 4.2.1 基于GA的加权函数多目标优化问题描述
• 4.2.2 染色体编码、解码
• 4.2.3 目标函数及适应度函数
• 4.3 仿真研究
• 4.3.1 标称被控系统模型
• ∞混合灵敏度控制器'>4.3.2 鲁棒H_∞混合灵敏度控制器
• ∞回路成形控制器'>4.3.3 基于Robust Control Toolbox的鲁棒H_∞回路成形控制器
• 4.4 本章小节
• 第5章 基于xPC Target平台的实验设计
• 5.1 实验方案
• 5.2 实验设备
• 5.2.1 轴承实验台
• 5.2.2 PCI-6024E卡、CB-68LP接线板及屏蔽电缆
• 5.2.3 位移传感器标定
• 5.3 搭建xPC Target实验台
• 5.3.1 硬件及软件设置
• 5.3.2 xPC Target实验测试
• 5.4 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及部分研究成果
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表