Sterowanie optymalne łożyskami magnetycznymi dla wysokoobrotowego zasobnika energii kinetycznej

pol Article in Polish DOI:

Arkadiusz Mystkowski , send Zdzisław Gosiewski Katedra Automatyki i Robotyki, Wydział Mechaniczny, Politechnika Białostocka

Download Article

Streszczenie

W pracy przedstawiono wyniki badań układu sterowania łożyskami magnetycznymi dla zasobnika energii kinetycznej z wykorzystaniem regulatora MU. Zalety łożyskowania magnetycznego zostały wykorzystane w wysokoobrotowej maszynie wirnikowej. Zaprezentowano proces projektowania regulatora odpornego obejmujący modelowanie niepewności obiektu sterowania, uwzględnienie nieliniowości, dobór optymalnych funkcji wagowych oraz redukcję rzędu modelu regulatora. Zaprojektowano regulator odporny, dla którego kryterium optymalizacji opisuje norma ||μ||≤1. Wyznaczono model wirnika metodę elementów skończonych. Przeprowadzono analizę modalną modelu wirnika oraz analizę jego prędkości krytycznych. Wykonano badania symulacyjne zaprojektowanych praw sterowania dla szerokiego zakresu prędkości obrotowych wirnika. Głównym celem artykułu były badania eksperymentalne układu łożysk magnetycznych dla zasobnika energii kinetycznej. W tym celu zbudowano stanowisko laboratoryjne umożliwiające badania dynamiki zawieszenia magnetycznego wirnika w zakresie prędkości obrotowej do 24 000 obr/min. Zaprojektowane prawa regulacji zostały zaimplementowane i zweryfikowane eksperymentalnie. Badania eksperymentalne wykazały, że zamknięty układ sterowania jest stabilny i zapewnia odpowiednią sztywność łożyskowanego wirnika oraz cechuje się niewrażliwością na zmiany obiektu oraz wymuszenia wewnętrzne i zewnętrzne.

Słowa kluczowe

sterowanie, łożysko magnetyczne

Optimal control of magnetic bearings for flywheel

Abstract

In the paper the optimal robust controller based on μ-synthesis is applied to control of active control bearings (AMB) for a high speed Flywheel. A design methodology of robust controllers is presented with considering of uncertainties, nonlinearities, selection of optimal weighting functions and control law reduction. The controllers synthesized for the augmented plant model which meet analysis objectives (μ ≤ 1.0) will stabilize the actual plant and meet specified performance objectives. The MES-model of the rotor is investigated and modal analysis is performed due to critical speeds. The simulation results are performed and all μ-synthesized controllers developed in this study were stable over the operating range. The main goal of the paper is the experimental evaluation of the controlled magnetic bearings performances for Flywheel application. For this purpose the laboratory stand with the high speed rotor (24 000 rpm) supported magnetically was built. The dynamical behavior of the closed-loops systems in wide range of rotation speeds was performed. The stable operation, good stiffness of the rotor and robust performances of the closed-loop systems were reached.

Keywords

control system, magnetic bearing

Bibliography

  1. Burrows C., Sainkaya M., Clements S., Active Vibration Control of Flexible Rotors: an Experimental and Theoretical Study, Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 422, pp.123-146, 1989. 
  2. Gawroński W, Kruszewski J., inni, Metoda Elementów Skończonych w Dynamice Konstrukcji, Arkady, Warszawa, 1984. 
  3. Gosiewski Z., Falkowski K., Wielofunkcyjne łożyska magnetyczne, Biblioteka Naukowa Instytutu Lotnictwa, Warszawa, 2003. 
  4. Gosiewski Z., Mystkowski A., Robust control of active magnetic suspension: analytical and experimental results, Mechanical Systems & Signal Processing, Vol. 22, No. 6, pp. 1297-1303, 2008. 
  5. Gosiewski Z., Mystkowski A., Dobór funkcji wagowych w układzie sterowania odpornego aktywnym zawieszeniem magnetycznym, Automation’2006: X Konferencja Naukowo-Techniczna, str. 402-411, 2006. 
  6. Gosiewski Z., Mystkowski A., The robust control of magnetic bearings for rotating machinery, Solid State Phenomena, Vol. 113, pp.125-130, 2006. 
  7. Knopse C.R., Hope R.W., Fedigan S.J., Williams R.D., Experimental in the Control of Unbalance Response Using Magnetic Bearings, Mechatronics, Vol. 55, pp. 385-400, 1995. 
  8. Losch F., Identification and Automated Controller Design for Active Magnetic Bearing Systems, Dissertation, Zurich, 2002. 
  9. Sawicki J. T., Rationale for Mu-synthesis Control of Flexible Rotor-Magnetic Bearings System, Acta Mechanica et Automatica, Vol. 2, No. 2, pp. 67-74, Bialystok, 2008. 
  10. Zhou K., Doyle J. C., Essentials of Robust Control, Prentice Hall, 1997.