三柔性叶片轴承转子系统的PD控制及仿真

论文摘要

转子振动主动控制技术是当今转子动力学的研究热点之一,随着现代控制理论和计算机技术与测量技术的发展,转子的振动控制技术逐步由被动控制转向主动控制,为实现对转子系统的主动控制,轴承的种类及结构形式也在不断发展,多种形式的非常规柔性轴承都在成功的应用或研制中,三柔性叶片主动控制滑动轴承就是其中之一。计算机仿真是利用计算机对自然现象、系统工程、运动规律以至人脑思维等客观世界进行逼真的模拟,建立相应物理系统的数学模型在计算机上解算的过程。随着计算机的普及与进步,数值模拟与计算机图形技术及可视化技术相结合,计算机仿真在工程设计、生产管理、实验研究、系统分析等各个领域得到愈来愈广泛的应用。本文以三柔性叶片主动控制滑动轴承转子系统模型为基础,采用PD控制策略模拟振动的主动控制,在VC++6.0环境下,基于MFC开发出仿真系统平台,对该系统进行了主动控制仿真研究。主要研究工作如下:（1）首先介绍了三柔性叶片主动控制滑动轴承转子系统各部分结构的物理模型及工作原理,对应各部分结构的物理模型,详细地叙述了数学建模采用的各种数学方法,分析了各种数学方法的原理及特点。（2）分析了PD控制策略的优点及应用场合,以转子涡动位移和涡动速度的模构建了目标函数,将PD控制策略应用到该转子系统的数学模型中,采用PD控制策略对该轴承转子系统实施主动控制。（3）在VC++6.0环境下,基于MFC开发出仿真系统平台,制作仿真界面,编写程序,将数学模型转化为计算机语言。该仿真系统平台可以进行多种状态下的实时仿真,提高了系统仿真的效率和灵活性。（4）运用仿真系统平台,对系统在自由振动和受迫振动状态下分别进行了的大量实时仿真研究。研究了转子、叶片的振动曲线,转子轴心轨迹及主动控制腔中控制压力变化曲线等各项性能,对主动控制前后的仿真结果进行了对比分析和总结。仿真结果表明PD控制策略能够对转子的振动进行有效控制,转子的减振效果明显,较大程度地提高了系统的整体稳定性。该轴承具有良好的受控性能,研究工作进一步推动了该轴承转子系统在高速重载旋转机械方面的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.2 国内外转子振动主动控制的研究概况及发展趋势
• 1.2.1 控制策略的国内外研究现状
• 1.2.2 控制装置的国内外研究现状
• 1.2.3 转子振动主动控制存在问题及发展趋势展望
• 1.3 计算机仿真概述及发展
• 1.3.1 计算机仿真基本概念
• 1.3.2 计算机仿真应用与发展
• 1.4 本文的研究内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 轴承转子系统物理模型及数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 轴承转子系统物理模型概述
• 2.3 轴颈外侧油膜的数学模型
• 2.3.1 滑动轴承流体润滑理论的形成与发展
• 2.3.2 建立轴颈外侧油膜的流体动压模型
• 2.3.3 有限元理论概述
• 2.3.4 有限差分法的基本原理
• 2.3.5 求解轴颈外侧油膜压力分布
• 2.3.6 求解轴颈上的油膜作用力
• 2.3.7 求解叶片上的油膜作用力
• 2.4 控制腔4中油膜的数学模型
• 2.5 主动控制腔5，6中油膜的数学模型
• 2.6 柔性叶片1，2，3的数学模型
• 2.6.1 数学模型的减缩
• 2.6.2 Guyan减缩法原理
• 2.6.3 建立柔性叶片的数学模型
• 2.7 转子的数学模型
• 2.7.1 Timoshenko梁理论简介
• 2.7.2 建立转子的数学模型
• 2.8 轴承转子系统的数学模型
• 2.8.1 龙格-库塔方法简介
• 2.8.2 建立轴承转子系统的模型
• 2.9 本章小结
• 3 轴承转子系统的PD主动控制
• 3.1 引言
• 3.2 振动主动控制的研究内容
• 3.3 振动主动控制的类型
• 3.4 比例微分控制方法简介
• 3.5 轴承转子系统PD控制的推导
• 3.5.1 转子的静不平衡
• 3.5.2 转子的动不平衡
• 3.5.3 转子系统控制压力的表达式
• 3.6 本章小结
• 4 主动控制仿真平台的实现
• 4.1 引言
• 4.2 计算机仿真步骤与功能
• 4.2.1 计算机仿真的基本步骤
• 4.2.2 仿真语言的功能与发展
• 4.3 Visual C++概述
• 4.3.1 Visual C++的编程
• 4.3.2 Windows的编程模式
• 4.3.3 面向对象程序设计的基本思想和有关概念
• 4.3.4 对象
• 4.3.5 类
• 4.3.6 继承
• 4.4 MFC概述
• 4.5 多线程程序编制
• 4.6 轴承转子系统仿真平台的实现
• 4.6.1 系统控制参数输入区
• 4.6.2 转子振动曲线输出区
• 4.6.3 转子轨迹曲线输出区
• 4.6.4 柔性叶片振动曲线输出区
• 4.6.5 控制腔压力曲线输出区
• 4.7 本章小结
• 5 三柔性叶片轴承转子系统主动控制仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 转子自由振动及受迫振动仿真分析
• 5.2.1 自由振动仿真分析
• 5.2.2 受迫振动仿真分析
• 5.3 叶片自由振动及受迫振动仿真分析
• 5.3.1 自由振动曲线仿真分析
• 5.3.2 受迫振动曲线仿真分析
• 5.4 控制腔自由振动及受迫振动仿真分析
• 5.4.1 自由振动压力曲线仿真分析
• 5.4.2 受迫振动压力曲线仿真分析
• 5.5 本章小结
• 6 研究结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢