本发明专利技术涉及一种基于非线性自适应算法的磁轴承系统惯性轴辨识方法。首先建立包含转子不平衡和Sensor Runout的磁轴承系统转子动力学模型；其次提出一种非线性自适应控制律和估计律，保证磁悬浮转子惯性中心位移估计值趋于零的同时，又能估计出Sensor Runout高次谐波分量的傅里叶系数；然后通过改变转子转速的策略，增加系统的可观测度，实现Sensor Runout同频分量和转子不平衡量的辨识，即实现惯性轴的辨识；最后修正自适应算法中同频分量傅里叶系数，准确地抑制多谐波电流和补偿位移刚度力，实现磁悬浮惯性执行机构的多谐波振动抑制。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于非线性自适应算法的磁轴承系统惯性轴辨识方法，用于辨识包含转子不平衡和传感器谐波噪声(SensorRunout)的磁轴承系统惯性轴，实现磁悬浮惯性执行机构的多谐波振动抑制，使磁悬浮惯性执行机构满足未来“超静超稳”卫星平台对极微振动的要求，属于磁轴承系统主动振动控制领域。
技术介绍
随着高分辨率对地观测、深空探测、星间激光通信等超高分辨率卫星的发展，超静与敏捷成为衡量卫星平台性能的两项重要指标。超静性能是保证高分辨率有效载荷成像质量的关键因素，敏捷性能是解决高分辨率成像与大范围覆盖这对矛盾的一条技术捷径。越来越高的分辨率指标对卫星平台的指向精度和姿态稳定度的要求越来越高，对星载活动部件所引起的振动越来越敏感。卫星振动主要分为两大类，一类是几到几十Hz的低频高幅振动，这类振动可以通过卫星姿态控制进行抑制；另一类高频低幅振动主要由飞轮、控制力矩陀螺等惯性执行机构引起，这类振动是无法通过姿态控制算法进行抑制的，是影响卫星平台振动水平的技术瓶颈。对惯性执行机构振动的抑制主要有隔振装置和磁悬浮主动振动控制两种。机械式惯性执行机构通常采用隔振技术来抑制高频振动，但是隔振装置只是将高频低幅振动转化成低频高幅振动，没有从源头上消除振动。磁悬浮惯性执行机构一个重要优点是具有主动振动抑制的能力，其本质是通过调节磁轴承的控制力实现转子绕惯性主轴旋转，从根本上消除高速转子的高频振动。由于加工安装误差、材质不均匀、电子元器件非线性等机械与电气非理想特性，磁悬浮惯性执行机构存在着转子不平衡、SensorRunout等振动源，从而传递出多谐波振动。目前，磁轴承系统主动振动控制主要集中于转子不平衡振动控制的研究，对包含转子不平衡和SensorRunout的磁轴承系统主动振动控制研究较少。由于位移传感器输出的同频成分包含SensorRunout同频分量和转子不平衡，在进行位移刚度补偿时只需要补偿转子不平衡的影响，因此需要进行SensorRunout同频分量和转子不平衡的辨识，即惯性轴的辨识。现有的辨识方法可分为两类：一类是直接辨识法，直接将磁悬浮转子低速运行时传感器输出的同频成分作为SensorRunout的同频分量，这类方法辨识误差大；另一类是自适应辨识算法，但现有算法主要实现转子绕几何轴旋转，会对外传递出相当大的振动，只适用于高精度对准磁轴承系统，不适用于磁悬浮惯性执行机构。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，专利技术一种基于非线性自适应算法的磁轴承系统惯性轴辨识算法，通过非线性自适应算法和改变转子转速的策略，提高惯性轴辨识精度，实现磁悬浮转子绕惯性轴旋转，抑制磁轴承系统多谐波振动。此外，本专利技术中的非线性自适应控制律解决了利用传统线性算法时初始电流过大和参数收敛速度慢等问题。本专利技术的技术解决方案是：一种基于非线性自适应算法的磁轴承系统惯性轴辨识算法，首先建立包含转子不平衡和SensorRunout的磁轴承系统动力学模型，分析振动产生机理及存在形式；其次专利技术一种非线性自适应控制律和估计律，在保证磁悬浮转子惯性中心位移的估计值收敛于零的同时，实现转子不平衡和SensorRunout各谐波分量傅里叶系数的估计；然后通过改变转速的策略，增加同频分量的可观测度，实现SensorRunout同频分量和转子不平衡量的辨识，估计出惯性轴；最后实现磁悬浮惯性执行机构的多谐波主动振动抑制。本专利技术的具体步骤如下：(1)建立含转子不平衡和SensorRunout的磁轴承系统动力学模型对于两自由度磁轴承系统，x轴和y轴两通道相互解耦。假设x轴和y轴的位移刚度系数和电流刚度系数相同，当磁悬浮转子在平衡位置附近运动时，其线性化的动力学方程为：式中，m为磁悬浮转子的质量；ki和kh分别为磁轴承系统的电流刚度系数和位移刚度系数；Ic＝[icx，icy]T，icx和icy分别为x轴和y轴磁轴承线圈控制电流；χI＝[xI，yI]T，xI和yI分别为惯性中心在x轴和y轴方向上的位移，为χI的二阶导数；χg＝[xg，yg]T，xg和yg分别为几何中心在x轴和y轴方向上的位移。由于转子不平衡的影响，使得转子惯性中心与几何中心不重合，则磁悬浮转子几何中心和惯性中心位移之间的关系为：χI＝χg-δ式中，为转子不平衡量；λ和分别为转子不平衡量的幅值和相位；ω为转子转速。将δ改为矩阵形式有：δ=PδΦδT]]>Pδ=-sin(ωt)cos(ωt)cos(ωt)sin(ωt)]]>其中，Pδ和Φδ分别为转子不平衡量的三角函数矩阵和傅里叶系数。此外，受位移传感器多谐波噪声SensorRunout的影响，传感器输出的几何中心位移χs与实际几何中心位移χg存在偏差，两者之间的关系为：χs＝χg+d式中，为SensorRunout向量；σi和ξi分别为SensorRunout第i次谐波分量的幅值和相位；k为谐波次数。将d改写为矩阵形式：d=PdΦdT]]>Pdi=-sin(iωt)cos(iωt)cos(iωt)sin(iωt),i=1,...,k]]>Φd＝[Φd1…Φdk]Φdi＝[piqi]，pi＝σisinξi，qi＝σicosξi其中，Pd和Φd分别为SensorRunout的三角函数矩阵和傅里叶系数；Pdi和Φdi分别为SensorRunout第i次谐波分量的三角函数矩阵和傅里叶系数。磁轴承线圈控制电流Ic为：Ic＝-kadksGw(s)Gc(s)χs式中，kad为AD采样系数；ks为位移传感器放大倍数；Gc(s)和Gw(s)分别为控制器和功率放大器的传递函数。则包含转子不平衡和SensorRunout的磁轴承系统动力学模型为：mχ··I=-kikadksGw(s)Gc(s)(χI+δ+d)+kh(χI+δ)]]>(2)非线性自适应控制算法设计在步骤(1)所述的模型基础上，设计非线性自适应控制算法，该算法主要包括两部分：自适应控制律和估计律。自适应估计律将磁悬浮转子惯性中心位移的估计值作为控制变量，保证收敛于零。自适应估计律能够自适应地估计转子不平衡量和SensorRunout各谐波分量的傅里叶系数Φδ、Φd，保证各个傅里叶系数估计值收敛。非线性自适应控制算法设计为：uic=-(khχ^I+mΞχ^·I+ρe+khPδΦ^δT)/(Kamki)]]>式中，Ξ为正定矩阵；ρ为正常数；为转子不平衡量傅里叶系数的估计值；设计目的是为了补偿转子不平衡量引起的位移刚度力；Kam为功放系统的等效比例系数；e是与和有关的权值函数；为的一阶导数。SensorRunout各谐波分量和转子不平衡量傅里叶系数的自适应估计律分别为：Φ~·d=eTPrdΓd,Φ~·δ=eTPrδΓδ]]>式中，和分别为三角函数矩阵Pd和本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于非线性自适应算法的磁轴承系统惯性轴辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立含转子不平衡和Sensor Runout的磁轴承系统动力学模型对于两自由度磁轴承系统，x轴和y轴两通道相互解耦；假设x轴和y轴的位移刚度系数和电流刚度系数相同，当磁悬浮转子在平衡位置附近运动时，其线性化的动力学方程为：mχ··I=kiIc+khχg]]>式中，m为磁悬浮转子的质量；ki和kh分别为磁轴承系统的电流刚度系数和位移刚度系数；Ic＝[icx，icy]T，icx和icy分别为x轴和y轴线圈控制电流；χI＝[xI，yI]T，xI和yI分别为惯性中心在x轴和y轴方向上的位移；为χI的二阶导数；χg＝[xg，yg]T，xg和yg分别为几何中心在x轴和y轴方向上的位移；由于转子不平衡的影响，使得转子惯性中心与几何中心不重合，则磁悬浮转子几何中心和惯性中心位移之间的关系为：χI＝χg‑δ式中，为转子不平衡量；λ和分别为转子不平衡量的幅值和相位；ω为转子转速；将δ改为矩阵形式有：δ=PδΦδT]]>Pδ=-sin(ωt)cos(ωt)cos(ωt)sin(ωt)]]>其中，Pδ和Φδ分别为转子不平衡量的三角函数矩阵和傅里叶系数；此外，受位移传感器多谐波噪声Sensor Runout的影响，传感器输出的几何中心位移χs与实际几何中心位移χg存在偏差，两者之间的关系为：χs＝χg+d式中，为Sensor Runout向量；σi和ξi分别为Sensor Runout第i次谐波分量的幅值和相位；k为谐波次数；将d改写为矩阵形式：d=PdΦdT]]>Pdi=-sin(iωt)cos(iωt)cos(iωt)sin(iωt),i=1,...,k]]>Φd＝[Φd1 … Φdk]Φdi＝[pi qi]，pi＝σisinξi，qi＝σicosξi其中，Pd和Φd分别为Sensor Runout的三角函数矩阵和傅里叶系数；Pdi和Φdi分别为Sensor Runout第i次谐波分量的三角函数矩阵和傅里叶系数；磁轴承线圈控制电流Ic为：Ic＝‑kadksGw(s)Gc(s)χs式中，kad为AD采样系数；ks为位移传感器放大倍数；Gc(s)和Gw(s)分别为控制器和功率放大器的传递函数；则包含转子不平衡和Sensor Runout的磁轴承系统动力学模型为：mχ··I=-kikadksGw(s)Gc(s)(χI+δ+d)+kh(χI+δ);]]>(2)非线性自适应控制算法设计在步骤(1)所述的模型基础上，设计非线性自适应控制算法，该算法主要包括两部分：自适应控制律和估计律；自适应估计律将磁悬浮转子惯性中心位移的估计值作为控制变量，保证收敛于零；自适应估计律能够自适应地估计转子不平衡量和Sensor Runout各谐波分量的傅里叶系数Φδ、Φd，保证各个傅里叶系数估计值收敛；(3)磁轴承系统惯性轴辨识通过变转速策略实现磁轴承惯性轴的辨识，磁悬浮转子在不同的转子转速条件下实现步骤(2)提出的非线性自适应算法，得到不同的Sensor Runout同频分量和转子不平衡量的傅里叶系数估计值，提高同频分量的可观测度，实现Sensor Runout同频分量和转子不平衡量的辨识，即磁轴承系统惯性轴辨识；(4)磁轴承系统多谐波振动抑制为了完全抑制磁轴承系统的多谐波振动，需将步骤(2)非线性自适应控制律中的Sensor Runout同频分量和转子不平衡傅里叶系数的估计值替换为步骤(3)计算出的真实值，则由转子不平衡引起的位移刚度力得到精确地补偿，由转子不平衡量和Sensor Runout引起的多谐波电流得到有效抑制。...
【技术特征摘要】
1.一种基于非线性自适应算法的磁轴承系统惯性轴辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立含转子不平衡和SensorRunout的磁轴承系统动力学模型对于两自由度磁轴承系统，x轴和y轴两通道相互解耦；假设x轴和y轴的位移刚度系数和电流刚度系数相同，当磁悬浮转子在平衡位置附近运动时，其线性化的动力学方程为：mχ··I=kiIc+khχg]]>式中，m为磁悬浮转子的质量；ki和kh分别为磁轴承系统的电流刚度系数和位移刚度系数；Ic＝[icx，icy]T，icx和icy分别为x轴和y轴线圈控制电流；χI＝[xI，yI]T，xI和yI分别为惯性中心在x轴和y轴方向上的位移；为χI的二阶导数；χg＝[xg，yg]T，xg和yg分别为几何中心在x轴和y轴方向上的位移；由于转子不平衡的影响，使得转子惯性中心与几何中心不重合，则磁悬浮转子几何中心和惯性中心位移之间的关系为：χI＝χg-δ式中，为转子不平衡量；λ和分别为转子不平衡量的幅值和相位；ω为转子转速；将δ改为矩阵形式有：δ=PδΦδT]]>Pδ=-sin(ωt)cos(ωt)cos(ωt)sin(ωt)]]>其中，Pδ和Φδ分别为转子不平衡量的三角函数矩阵和傅里叶系数；此外，受位移传感器多谐波噪声SensorRunout的影响，传感器输出的几何中心位移χs与实际几何中心位移χg存在偏差，两者之间的关系为：χs＝χg+d式中，为SensorRunout向量；σi和ξi分别为SensorRunout第i次谐波分量的幅值和相位；k为谐波次数；将d改写为矩阵形式：d=PdΦdT]]>Pdi=-sin(iωt)cos(iωt)cos(iωt)sin(iωt),i=1,...,k]]>Φd＝[Φd1…Φdk]Φdi＝[piqi]，pi＝σisinξi，qi＝σicosξi其中，Pd和Φd分别为SensorRunout的三角函数矩阵和傅里叶系数；Pdi和Φdi分别为SensorRunout第i次谐波分量的三角函数矩阵和傅里叶系数；磁轴承线圈控制电流Ic为：Ic＝-kadksGw(s)Gc(s)χs式中，kad为AD采样系数；ks为位移传感器放大倍数；Gc(s)和Gw(s)分别为控制器和功率放大器的传递函数；则包含转子不平衡和SensorRunout的磁轴承系统动力学模型为：mχ··I=-kikadksGw(s)Gc(s)(χI+δ+d)+kh(χI+δ);]]>(2)非线性自适应控制算法设计在步骤(1)所述的模型基础上，设计非线性自适应控制算法，该算法主要包括两部分：自适应控制律和估计律；自适应估计律将磁悬浮转子惯性中心位移的估计值作为控制变量，保证收敛于零；自适应估计律能够自适应地估计转子不平衡量和SensorRunout各谐波分量的傅里叶系数Φδ、Φd，保证各个傅里叶系数估计值收敛；(3)磁轴承系统惯性轴辨识通过变转速策略实现磁轴承惯性轴的辨识，磁悬浮转子在不同的转子转速条件下实现步骤(2)提出的非线性自适应算法，得到不同的SensorRunout同频分量和转子不平衡量的傅里叶系数估计值，提高同频分量的可观测度，实现SensorRunout同频分量和转子不平衡量的辨识，即磁轴承系统惯性轴辨识；(4)磁轴承系统多谐波振动抑制为了完全抑制磁轴承系统的多谐波振动，需将步骤(2)非线性自适应控制律中的SensorRunout同频分量和转子不平衡傅里叶系数的估计...
【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，张会娟，刘刚，刘虎，张染，陈曦，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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