摘要
磁悬浮轴承相比于传统的轴承具有无机械接触、长使用寿命、高旋转速度、可主动控制等优势，在旋转机械领域得到了广泛的应用。由于磁悬浮轴承-转子工作环境的不同，其受到的外部干扰种类繁杂，低频正弦干扰是其中的一种常见干扰，在多种工况中均有体现。本文将低频正弦激励作为磁悬浮轴承-转子系统的外部干扰，将系统的未建模动态、参数和结构的不确定性作为“内部干扰”设计复合分层抗干扰控制器，提高系统的鲁棒性以及抗干扰能力。 首先建立了本文所使用实验台的磁悬浮轴承-转子、位移传感器和功率放大器的数学模型，将这三者作为控制器的整体被控对象，建立了整体被控对象的数学模型，并且给出了磁悬浮轴承-转子系统单自由度的传递函数和状态空间方程。 根据被控对象的数学模型设计H∞控制器、干扰观测器和扩张状态观测器，根据复合分层抗干扰控制器的基本原理，将H∞控制器分别与干扰观测器和扩张状态观测器复合，设计基于干扰观测器以及扩张状态观测器的两种复合分层抗干扰控制器，并对两种复合分层抗干扰控制器进行了稳定性分析。 根据控制器参数的选取原则对控制器的参数进行整定，通过仿真验证了干扰观测器和扩张状态观测器对于低频正弦干扰可以进行有效地估计；分别搭建两种复合分层抗干扰控制器的仿真模型。仿真表明，与传统H∞控制器相比，在不同旋转频率下，复合分层抗干扰控制器不同频率的正弦干扰信号均有良好的控制效果。 最后搭建了以dSPACE为控制核心的磁悬浮轴承-转子实验系统平台，对两种复合分层抗干扰控制器进行实验验证。实验结果表明，随着旋转频率和干扰频率的变化，相较于传统H∞控制器，基于干扰观测器的复合分层抗干扰控制器可以提升9.3%—44.9%的控制性能；基于扩张状态观测器的复合分层抗干扰控制器可以提升27.4%—39.9%的控制性能。
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