强陀螺效应磁悬浮转子的自平衡控制算法及收敛性分析

磁悬浮转子具有重要应用前景，但强陀螺效应磁悬浮高速转子的自平衡控制问题迄今未有效解决，将影响磁轴承的进一步推广。本项目针对具有动、静不平衡的强陀螺效应磁悬浮转子，立足动力学机理分析，研究自主的完全自平衡控制算法：(1)建立强陀螺效应磁悬浮转子系统动力学模型，包括非线性轴承力模型和考虑自转轴迁移的转子动力学模型，进行动力学机理分析；（2）研究基于轴承力精确模型的静、动不平衡参数辨识方法，和基于给定轨迹跟踪的轴承力极小化的自平衡算法；(3)基于考虑轴承力非线性和自转轴迁移的强陀螺效应转子动力学模型，证明自平衡算法的收敛条件，分析其在实际应用环境中的收敛速度和精度；（4）对参数辨识、自平衡控制以及收敛性能等进行针对性实验验证。通过上述研究，完成适用于强陀螺效应磁悬浮高速转子的自平衡算法设计，为实现真正"安静"的磁轴承，并推广应用于低噪声低振动高端环境提供必要基础。

磁悬浮高速转子因其潜在的低振动、高精度、长寿命优势而具有重要的应用前景，但强陀螺效应磁悬浮转子的自平衡控制问题迄今未有效解决，将影响磁轴承的推广。本项目依据计划书拟定的方案，针对强陀螺效应磁悬浮不平衡转子系统，立足动力学机理，综合理论分析、仿真、实验等手段研究自平衡控制方法，主要研究成果包括：1)建立了非线性磁轴承力模型，提出“递推最小二乘-差分进化”辨识方法构建了强陀螺效应磁悬浮转子系统及其不平衡振动动力学模型，实验结果模型输出的误差相对于渐消记忆最小二乘法降低了52.11%，分析了不平衡转子振动动力学机理，为自平衡控制算法设计提供了重要基础；2)研究和实现了转子不平衡参数在线辨识，提出基于位移刚度力超前前馈和功率放大器补偿的强陀螺效应磁悬浮转子自平衡算法，实验结果转速12000r/min时不平衡轴承力抑制比达到99.1%，实现了固定转速下不平衡振动力接近彻底的消除；3)面向应用，针对固定转速自平衡精度跟随转速参数测量精度的降低而降低问题，提出带有转速自适应的广义陷波器自平衡算法，证明其收敛性，分析了算法收敛精度和速度的矛盾关系，给出按稳定性设计广义陷波器参数的方法，实验结果在转速3600r/min（误差10%）情况下，不平衡轴承力由16N降低到1.8N（降低了88.75%），提高了自平衡算法的转速适应性；针对转子不平衡量参数随转子应用时间增长而增大，导致自平衡后转子位移过大的问题，提出基于改进GPM的自平衡方法，实现了给定不平衡振动位移阈值下的最小不平衡振动力和力矩的控制，并进行实验验证；4)面向控制力矩陀螺应用背景，分析动框架情况下的磁悬浮转子动力学行为，针对动框架时磁轴承力非线性加剧导致的不平衡谐波振动问题，提出基于重复控制的多谐波抑制自平衡算法，实验结果不平衡振动力减小了8dB，显著提高了动框架情况下的自平衡控制效果。本项目在数字化改造后的实验系统上实现了一整套强陀螺效应磁悬浮转子系统的自平衡控制算法和软件，研究内容覆盖和完成了申请书拟定的研究任务，相关成果共发表学术论文13篇（SCI检索5篇，EI检索8篇），申请国家发明专利5项（已授权2项），培养博士研究生毕业2人，硕士研究生毕业4人，在读4人。通过上述研究，完成了适用于强陀螺效应磁悬浮高速转子的自平衡算法设计，为实现真正“安静”的磁轴承，并推广应用于低噪声低振动高端环境提供了重要基础。