Введение к работе
Актуальность работы. Основной областью применения активных магнитных подшипников (АМП) в настоящее время является высокоскоростное машиностроение - от небольших турбомолекулярных насосов до турбогенераторов и компрессоров мощностью несколько десятков МВт. Преимуществом АМП для данной области является возможность управления вибрациями, демпфирование упругих колебаний, а также получение четко определенных динамических характеристик. Другими важными особенностями, которые были подтверждены практическими исследованиями, являются возможность обеспечения дистанционного контроля и диагностики, низкие затраты на техническое обслуживание, а также низкое потреблением энергии. Благодаря высокопроизводительной силовой электронике, для мощного высокоскоростного машиностроения применение АМП является перспективным и обоснованным. Также в настоящее время ведутся исследования возможности использования АМП в авиационных электрических машинах в качестве тяговых двигателей или генераторов электрической энергии для всех электрических самолетов.
Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка математической модели устройства управления АМП, реализующего активное гашение колебаний, возникающих при вращении ротора в широком диапазоне частот вследствие влияния неуравновешенности ротора, статического и динамического дисбалансов, прохождения через области критических частот и появления собственных форм.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка и исследование статических и динамических математических моделей ротора в виде уравнения Лагранжа второго рода.
-
Разработка математической модели радиального активного магнитного подшипника и программная реализация методики расчета основных электромагнитных характеристик устройства.
-
Исследование проблем упругих конструкций и теоретических аспектов управления жесткостью активных магнитных подшипников с целью обеспечения бесперебойной, эффективной и безопасной работы системы с АМП.
-
Разработка селективного подхода к управлению положением ротора в АМП в зависимости от критической скорости вращения ротора.
-
Разработка программного приложения для расчета и анализа основных характеристик, как объекта управления, так и системы в целом, генерации программного кода устройства управления, а также визуализации полученных экспериментально переходных процессов перемещения ротора и анализа основных показателей качества.
Методы исследований. Используются классические методы теории нелинейных колебаний и теории устойчивости движения, а также матричный анализ и элементы теории функции комплексной переменной. Для численного интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений применяются алгоритмы компьютерного моделирования с использованием Matlab/Simulink.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
Полная и упрощенная математические модели активного магнитного подшипника.
-
Алгоритм каскадного управления на основе ПД/ПИ структур.
-
Алгоритм селективного закона управления положением упругого ротора.
-
Исследовательский программный комплекс для решения задач расчета, анализа и исследования характеристик системы управления положением ротора в электромагнитном подвесе.
Новизна научных результатов.
-
Полная математическая модель активного магнитного подшипника предназначена для исследования нелинейных свойств электромагнита и учета влияния этих нелинейностей на динамику ротора. Упрощенная математическая модель активного магнитного подшипника применима для целей моделирования в Matlab/Simulink.
-
Каскадное соединение составных частей ПИ/ПД регулятора обеспечивает хорошую динамику системы и легкость настройки независимых друг от друга каналов управления.
-
Устройство управления селективного типа, реализует активное гашение колебаний, возникающих при вращении ротора, и сочетает наиболее эффективные методы управления неустойчивым объектом «электромагнит-ротор» в единый алгоритм управления, обеспечивающий наилучшую динамику системы. Подключение того или иного алгоритма управления зависит от текущей частоты вращения ротора.
-
Исследовательский программный комплекс MSR CIA (Magnetically Suspended Rotor Calculation, Investigation & Analysis) осуществляет автоматическое составление описания всех компонентов системы, трансляцию алгоритма управления в код микроконтроллера, динамическую коррекцию параметров регулятора и внесение изменения в код контроллера, проведение исследований высокоскоростных динамических процессов, автоматизированный анализ переходных процессов, полученных в ходе проведения испытаний систем управления.
Достоверность научных положений, результатов и выводов.
Достоверность научных положений и результатов, сформулированных в диссертационной работе, подтверждается корректным использованием методов математического моделирования, матричного анализа и элементов теории функции комплексной переменной. Проведенные стендовые испытания подтверждают работоспособность алгоритмов управления.
Практическая ценность работы.
-
Полная модель позволяет исследовать свойства активного магнитного подшипника с высокой точностью и сформировать табличную зависимость магнитной силы от тока и текущего положения ротора, используемую в обобщенной модели системы. Упрощенная модель позволяет моделировать электромагнитные процессы приближенно.
-
Введение в селективную структуру устройства управления законов, в основе которых лежат регуляторы линейной группы, во-первых значительно упрощает кривую жесткости АМП, во-вторых упрощает программную реализацию алгоритма управления.
-
Селективный подход к построению системы автоматического управления положением ротора в активных магнитных подшипниках, путем управления жесткостью электромагнита, учитывает результаты исследования конструкции ротора, а именно: расчет собственных частот и собственных форм, определение резонансных частот, выявление основных неопределенностей системы.
-
Программный комплекс обладает широкими функциональными возможностями, а также прост и удобен в использовании. Программные компоненты "Расчет электромагнитных характеристик радиального активного магнитного подшипника" и "Анализ переходных процессов перемещения ротора в электромагнитном подвесе" могут быть использованы как в составе комплекса MSR CIA, так и автономно.
Апробация результатов работы.
Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на XIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (концерн ЦНИИ "Электроприбор», Санкт-Петербург, 15-17 марта, 2011), Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-2011 (Санкт-Петербург, 23-25 июня, 2011), 2011 International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON (Красноярск, 15-16 сентября, 2011), 4-ой Всероссийской Мультиконференции по проблемам управления МЭС-2011 (Дивноморское, 3-8 октября, 2011), Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM- 2012 (Санкт-Петербург, 25-27 июня, 2012), Международной заочной научно-практической конференции "Перспективы развития науки и образования" (Тамбов, 28 сентября, 2012), на 64-66 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЭТУ (СПбГЭТУ «ЛЭТИ», февраль 2011-2013 гг.), VI Международной научной конференции "European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches" (Германии, г. Штутгарт 28-29 октября 2013), VII международной научно-практической конференции "Приоритетные научные направления: от теории к практике" (Новосибирск, Россия, 24 октября 2013 года).
Публикации.
Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 15 научных работах, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях входящих в перечень ВАК, 1 статья в издании, входящим в базу SCOPUS, 2 статьи в прочих изданиях и 8 публикаций в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций. Получено 5 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 160 с, в том числе 124 с. основного текста, 81 рисунок, 8 таблиц, список литературы из 100 наименований и 11 приложений на 36 страницах.
