弹性箔片电磁混合轴承支承转子系统的动力学与控制

Based on requirements of dynamics design of the supporting system of high speed rotors, the dynamics and control problems result from integrating a gas foil bearing and a magnetic bearing together into one hybrid bearing will be studied in this project..The research includes: (1) obtain the dynamic stiffness and damping of the gas foil bearing in frequency domain by numeric method; (2) obtain the transfer function model of the dynamic stiffness and damping by system identification; (3) determine parameters of the transfer function model by experimental system identification; (4) combined with the model of the magnetic bearing to obtain the dynamic model of the rotor supported by hybrid foil-magnetic bearings; (5) present the performance index and design the controller; (6) load sharing control strategy design and system dynamics analysis; (7) simulation and experiments to verify the presented model and control method..The objectives of this project is to build the dynamic model of the rotor supported by the hybrid foil-magnetic bearings, and design the controller to realize loads sharing and control of dynamic property of the rotor bearing system. This research makes an investigation on modeling method and control strategy of the hybrid foil-magnetic bearing. It is very important to the development of the oil-free bearing technology and research and design of high speed rotating machines used both in defense and industries in our country.

针对高速、超高速转子支承系统动力学设计需求，拟对弹性箔片气体轴承与电磁轴承组成混合轴承时产生的动力学与控制问题进行研究。研究内容包括：（1）通过数值计算给出频域内弹性箔片轴承的动刚度和动阻尼系数；（2）通过系统辨识得到动刚度和动阻尼的传递函数模型；（3）通过实验参数辨识的方法确定准确的弹性箔片轴承模型参数；（4）结合电磁轴承的理论模型，得到弹性箔片电磁混合轴承支承转子系统的动力学模型；（5）提出系统性能指标并设计控制器；（6）进行静态承载力分配和系统动态特性的分析和控制；(7)进行数值仿真并进行实验验证。预期目标是建立弹性箔片电磁混合轴承支承转子系统的动力学模型，设计控制器并实现系统承载力的分配和动态特性控制与预测。本项目是对弹性箔片电磁混合轴承建模方法与性能控制进行的探索，它对发展我国无油支承技术，研发应用于国防和民用的高速旋转机械，具有重要的理论意义和工程应用价值。

弹性箔片气体轴承和电磁轴承是两类典型的无油支承方式，它们均具备无接触、无摩擦、磨损特性，因此不需要润滑，非常适用于高速、超高速转子的支承。弹性箔片气体轴承由于采用了柔性支承表面和弹性底层拱箔支承，极大地增强了轴承的自适应性；而电磁轴承则可对电磁力进行主动控制，不仅能在静止状态时为转子提供稳定的支承，而且在整个转速范围内可使转子获得恒定的承载力和优良的阻尼特性。项目所研究的弹性箔片-电磁混合轴承结合两者的优势，可进一步提升高速无油支承的承载力和性能，具有很好的应用前景。.项目针对弹性箔片电磁混合轴承的建模和动力学控制问题开展研究，全面完成了项目任务书所规定的弹性箔片电磁混合轴承的系统动力学建模、模型参数的实验辨识、以及相应的控制器设计等问题的理论和实验研究。主要研究内容和结果包括：.建立了弹性箔片电磁混合轴承的机电耦合动力学模型，提出了系统模型参数的实验辨识方法，利用该模型和参数辨识方法得到的轴承特性参数，可以更准确的进行弹性箔片电磁混合轴承支承转子系统的动力学分析和控制。.提出了弹性箔片电磁混合轴承的稳态承载力分配算法以及动特性控制方法，实现了弹性箔片电磁混合轴承承载力在电磁轴承和弹性箔片轴承之间的有效分配。.将基于特征模型的自适应控制方法应用到弹性箔片电磁混合轴承的控制，提出了相应的在线参数辨识方法和控制器设计方法，有效解决了模型参数辨识不收敛的问题。该自适应控制器对系统模型误差和动、静态干扰力有很好的自适应能力。.弹性箔片轴承的制造方法和热处理工艺对最终的箔片轴承动力学性能有很大的影响，在弹性箔片轴承和混合轴承建模时，应计入这种影响，尽量消除这种模型误差。.上述研究成果对电磁轴承、弹性箔片轴承、以及弹性箔片电磁混合轴承的理论研究和进一步的工业应用具有很好的理论和参考价值。