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磁轴承快速原型仿真系统研究

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第24卷第7期 计算机仿真 2007年7月 文章编号:1006—9348(2007)07—0326—03 磁轴承快速原型仿真系统研究 肖凯 ,张育林 ,刘昆 (1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙410073;2.东风航天中心,甘肃兰州732750) 摘要:磁轴承系统是一种复杂系统,可应用于航天器姿态控制系统,而数字控制是其发展趋势,采用一体化仿真、设计和实现 平台,可以促进数字控制器在磁轴承领域的应用。为了解决磁轴承数字控制器快速实现的问题,在对磁轴承建模分析的基 础上,基于xPC快速原型体系,以工控机为目标机,采用双机模式,在MATL ̄B环境下构建了一体化数字控制平台,并通过运 行实验,实现了转子的稳定悬浮和高速旋转。验证了磁轴承控制算法的有效性。这种快速原型化方法可推广应用到其它复 杂控制系统。 关键词:磁轴承;快速原型;数字控制 中图分类号:TP391.9;TH133.3 文献标识码:A Study on Rapid Prototyping of Magnetic Bearing XIA0 Kai ,ZHANG Yu Lin 。LIU Kun (1.Astronautics and Mateiral Engineering College of National University of Defense Technology, Changsha Hunan410073,China;2.Dongfeng Space Center,Lanzhou Gansu 732750,China) ABSTRACT:Magnetic bearing is a kind of complex system used in attitude control system of spacecraft,and the trend is to use diigtla controller.Adopting an integrative plaftorm for simulation,desing and implementation Can pro— mote the application of diigtla controller in magnetic bearing.In order to realize rapidly the digitla contorller of mag- netic bearing,fisrtly,the model of magnetic bearing is analyzed. Secondly,an integrative platform of diigt control based on xPC—rapid prototyping framework is built.The platform under MATLAB uses host PC and target PC which are industiral PC plugged data acquisition devices.Finally,the control arihtmetic of magnetic bearing is proved effec- tively by the experiment results,the rotor can be suspended steadily and rotates at a hi gh speed.The method can be used as guidelines for other complex control system. KEYWORDS:Magnetic bearing;Rapid prototyping;Diigtla contorl 1 引言 实现在线测量和故障诊断,数字控制器已经在磁轴承上得到 磁轴承作为一种新型的轴承形式,具有低损耗、低振动 了普遍的应用 。 噪声,可超高速长期运转等特性。采用磁轴承的卫星飞轮系 本文以磁轴承系统为研究对象,基于硬件在回路仿真, 统,由于无摩擦力矩的影响,可以产生非常精确的控制力矩, 构建了一体化快速原型仿真环境,并成功实现了两自由度磁 从而显著提高卫星姿态控制系统的控制精度和稳定度,大大 轴承的稳定悬浮及高速旋转。 延长卫星系统的使用寿命,因此新型磁悬浮飞轮较好地满足 了现代航天器高精度、长寿命姿态控制系统的应用需求…。 2磁轴承系统建模 控制器是磁轴承系统最关键的环节。控制器的硬件及采 图1所示为两自由度磁轴承结构示意图,该磁轴承为内 用的控制律和设定的控制参数不仅决定了磁悬浮能否实现, 定子、外转子结构,包括定子、转子、电机电枢和保护轴承等。 而且还直接影响到主轴的回转精度和承载能力等磁轴承的 在定子上,集成安装了电磁线圈,永磁体和位置传感器环。在 关键指标,所以在整个磁轴承系统设计中,控制器的设计及 定子轴的上下两端各有一个保护轴承,用来保护定子。避免 优化工作显得尤为重要。而数字控制器便于进行各种可能 转子在异常情况下对定子的撞击。 的控制策略的试验,能实现复杂的控制功能。可以很方便地 磁轴承系统采取径向主动控制,轴向被动控制的两自由 度控制方案。系统中,永磁体的作用是为径向控制提供偏置 基金项目:“十五”国防预研资助项目(41320050301) 磁场,同时实现轴向被动稳定;电磁铁的作用是为保持转子 收稿日期:2006—07—06修回日期:2006—08—26 在预设位置的稳定悬浮提供电磁力。在理想情况下。当转子 ・---——326・---—— 维普资讯 http://www.cqvip.com

定子轴\ \ C 定子 ,诂二} I I I l l I I ll ■■■ _ l I l l II I IX] I l , 图I两自由度磁轴承结构示意图 中心处于平衡位置,电磁铁中的励磁电流为零。当转子中心 发生偏移时,偏移量由位置传感器拾取后送到控制器,控制 器产生一定的控制信号经功率放大电路,输出控制电流,调 节电磁铁的磁场力,使转子回到平衡位置。主动控制主要针 对径向x、Y轴的平动,通过磁场及结构设计可以实现径向 x、Y轴平动运动的解耦,因此可以为x、Y轴分别设计控制 器进行独立控制。以x轴的单通道控制系统为例,系统主要 由转子,位移传感器,控制器,功放组成,其结构框图如图2 所示,其中转子的传递函数是通过对永磁和电磁力计算,并 在平衡点进行线性化处理后得到 “ (s)=— ,其中 为电磁铁的力/电流系数, ms—A 为电磁铁的力/位移系数。 参考 -.・..・……・…・・…..’’ 图2 单通道磁轴承控制系统闭环框图 进一步,对位移传感器和功翠放大器进行等效,它们的 传递函数可以分别表征为r 和K,o此时,系统的开环传 递函数为 )= (1) 控制器采用微分先行PID算法,即微分运算在先,后面 紧跟比例和积分运算,其结构如图3。 该算法的传递函数为: E(s) +8= 1  s—’、一 s+赤,  …  ̄PID控制器的比例增益, :积分时间常数, :微分时间常数,8:微分增益,其值一般取s=0.01~ O.1 采用一阶后向差分离散化 ,可得: 图3微分先行PID结构图 “。( )=k,“。(k一1)+ e(k)一 e(k一1) (3) 写成增量型算法 AuD( )= lAuD( 一1)+ △e( )一 Ae(k一1)(4) 可得: 比例通道输出: △“ ( )= △“。(k) (5) 积分通道输出: △“ (k)=zau,(k一1)+ 4△“d(k) (6) 总的增量输出: Au(k)=zaup( )+△“,(k) (7) 总的输出: “(k):u(k一1)+zau(k) (8) 对于其它形式的控制算法可以通过仿真来确定具体的 控制参数,同样可以通过下文介绍的快速原型技术来验证控 制算法的有效性。 3快速原型体系结构分析 快速原型是一种基于模型的开发平台,它提供了硬件在 回路仿真的能力,使系统设计人员可以在硬件平台上快速验 证设计方案,具有缩短研发周期和广泛的可重用性等优点。 利用MATLAB/Simulink环境下的RTW与xPC目标工具箱 可以实现磁轴承控制系统的快速原型化及半实物仿真测试。 基于MATLAB/Simulink环境下RTW与xPC的快速原型实 时仿真系统的体系结构如图4所示 。 Simulink 图 图4快速原型实时仿真系统的体系结构 xPC目标(xPC Target)是一种“双机型”的解决方案,即 xPC目标需要使用两台PC机,其中宿主机用于运行Simu— link,由RTW工具箱生成基于模型的执行代码,通过网络或 串口下载到目标Pc机,而目标PC机则用于执行所生成的代 码。目标PC机通常为x86架构PC、PC/104和单板计算机, ・--——327 -・—— 维普资讯 http://www.cqvip.com

运行一个高度紧缩型的实时操作内核,该内核采用32位保 在回路的闭环控制系统。 护模式,通过以太网络连接或串口线连接来实现宿主机和目 标机之间的通信。图5显示了快速原型化环境中xPC目标 的使用情况 。 线等 ●一参数调节,监视等—'・ 图5 xPC目标快速原型化环境 目标Pc机拥有丰富的I/O硬件接口,有利于被控对象 与目标机之间的信息交互,可以快速地实现数字控制。 4磁轴承快速原型系统设计与实现 为了验证设计的控制算法,将功放,磁轴承转子系统等 实物接入回路,进行硬件在回路中(Hardware in the Loop)的 实时仿真。采用快速原型方法,基于xPC双机模式构建的实 时仿真系统框图如图6所示。 (A/D) 图6实时仿真系统框图 采用Intel P4 1.6G CPU的PC兼容机作为宿主机,安装 了MATLAB系列软件,用于系统设计、分析、数学仿真和实时 仿真时的监控与数据采集。宿主机和实时仿真器通过10M Base—T以太网连接。实时仿真器采用Intel Pentium II 333MHz CPU的研华工业控制计算机,装有PCL一727 D/A 卡和PCL一818H A/D卡,运行环境为实时操作系统。PCL一 818H A/D卡主要完成对涡流传感器信号的采集,获得飞轮 转子的实时位置信息,PCL一727 D/A卡主要完成算法执行 后控制信号的产生。 在构建原型系统时,选择MATLAB支持的数据采集卡并 采用预定义模块是一个明智的选择。PCL一818H和PCL一 727作为两个非常重要的部件内置在实时仿真器内(工业 PC),为数字控制提供了前、后向接口,使磁轴承数字控制系 统的仿真成为可能。图7为两通道数字控制宿主机实时仿 真框图,图中主要采用了离散化传递函数模块、PCL一818H 和PCL一727两个预定义的数据采集模块,构成了一个硬件 .—-——328...—— 图7两通道数字控制宿主机实时仿真框图 图8实时仿真器运行界面 宿主机通过RTW自动生成代码,编译连接后,将执行 代码通过网络自动下载到实时仿真器(工业PC),然后在实 时仿真器上实时运行数字控制算法。在实际调试过程中,可 以在不中断系统运行的情况下,动态实时地修改控制器参 数,为调试带来了很大的方便。图8所示为实时仿真器的运 行界面,显示了1201 ̄s控制周期时,磁轴承运行在5000RPM 转速下的两通道位移曲线。 5结论 针对磁轴承系统,引入快速原型技术,构建了基于xPC 的一体化磁轴承数字控制平台,通过一系列建模分析、仿真 及试验,有效地验证了控制算法的可行性。实践表明,采用 基于xPC的快速原型化磁轴承数字控制开发平台,在模块化 建模环境下以图形化的方式对控制算法进行概念化处理,利 用丰富的PC数据采集板卡搭建数字化系统框架,通过算法 设计和原型化之间的快速重复对磁轴承数字控制器进行完 善,有利于实现快速开发的设计目标。此外,这种快速原型 化方法也同样适用于其它复杂控制系统的实现。 参考文献: [1]汪希平.电磁轴承及其在航天工业中的应用[J].上海航天. 1995,11(3):35—38. (下转第336页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

E}套掣 E 量 簿 趟 采集时间间隔(10min) (a)挠度测量点n1的原始数据 采集时间问隔(10min) (b)从测最点n1随机删除20个数据 吕 { 簿 毡 暑 暑 蠢 采集时间间隔(1Omin) (c)使用RBFNN恢复数据 采集时间间隔(1O n) (d)使用线性回归法恢复数据 图4 RBF神经网络方法和线性回归法对比实验 参考文献: [1]李杰.数字化服务技术及其与设计、制造的集成[J].中国机 械工程,1998,(9). [2]G W Housner,et a1.Structure Contwl:Past,Present,and Future [J].Engineering Mechanics,1997. [3]E Aktan,S Chase,D Inman and D Pines.Monitoring and Manag・ ingthe Health of Infrstauctrure Systems[C].Proc.of the 2001 SPIE Conference on Health Monitoring of Highway Transportation Infrastuctrure,SPIE,2001. [7] Simon Haykin.Neural Networks:A Comprehensive Foundation, 2nd Edition(影印本)[M].中国机械工业出版社,2004. llings.H B Jamaluddin and S Chen.Properties Of Neural [8] S A BiNetworks With Applications To Modelling Non—Linear Dynamical Systems[J_.Int.J.of Contol,1992.r [9] S Chen,C F N Cowan and P M Grant.Orthogonal Least Squares Learning Algorithm For Radil Baasis Function Networks[J].IEEE Trans.on Neurl Netaworks.1991. [4] 徐亚力.桥梁挠度测量方法的探讨[M].铁路建筑,1996. [5]A R grawal,T I omasz,N S Arun.Mimng association rules be- tween sets of items in large databases[C].In Buneman P,ed. Proceedings of the 1993.ACM SIGMOD International Conference on Management of Data.New York:ACM Press,1993. [作者简介] 胡顺仁(1971一),男(汉族),重庆人,博士,副教 授,研究方向为光电信息处理、计算机技术; 陈伟民(1955一),男(汉族),重庆人,博士生导师, 教授,研究方向为光电信息处理、仪器仪表; [6]David Hand,Heikki Mannila and Padhraic Smyth.Principles of Data Mining[M].Massachusetts Institute ofTechnology,2003. 符玉梅(1972一),女(汉族),四川人,博士后,副教 授,研究方向为光电信息处理、仪器仪表。 (上接第328页) [2]G施韦策,H布鲁勒,A特拉克斯勒著,虞烈,袁崇军译.主动 磁轴承基础、性能及应用[M].北京:新时代出版社,1997. [作者简介] 肖 凯(1971一),男(汉族),湖南衡南人,副教授, 在职攻读博士学位,主要研究方向为磁悬浮系统控 制技术、自动测试系统等; [3] 肖凯,张育林,刘昆.永磁偏置混合磁轴承控制系统设计与仿 真[J].计算机仿真,2005,22(12):35—37. [4] 祁庆中,赵鸿宾.电磁轴承控制系统的研究与探讨[J].应用科 学学报,1997,15(2):179—184. 张育林(1958一),男(汉族),陕西宝鸡人,教授,博 导,博士,研究方向为航天工程,航天器协同控制理 论,液体火箭发动机监控技术,航天飞行器系统动力学与控制等; [5] 刘明俊.数字控制系统原理一分析与设计[M].长沙:国防科 技大学出版社,1997. 刘 昆(1965一),男(汉族),湖南邵东人,教授,博导,博士,研究方 向为磁悬浮系统控制技术,飞行器设计与控制等。 [6]杨涤,等.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京:清华大学 出版社,2002. ----——336----—— 

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