基于故障自愈调控原理的转子自动平衡系统

【摘要】在本博士学位论文中,以自愈调控原理为指导,开发了一种具有自主知识产权的新型转子自动平衡系统。特别是针对其核心部件,研制了一种新型的持续排液式平衡头。它具有可靠性高、平衡能力大、加工制造容易、造价低等优点。在本论文中,叙述了该型平衡头的基本原理并建立了它的动态数学模型,并介绍了平衡能力、调节速度、调节精度等性能指标的设计计算方法以及针对不同应用特征的几种设计方案。并通过采用分叉轴向排液,以简单可靠的方式解决了排液激振问题。还讨论了工作液体的选择、在不同转速下对进/排液流量平衡进行补偿的硬件和软件的解决方法等问题。此外,对平衡头的故障安全性问题进行了探讨,提出了一种采用磁流变液为工作液体的方案,并介绍了它的磁路设计。为了提高转子自动平衡系统的整体可靠性,采用仿生代偿原理开发了一种具有高容错性的脉码调制流量调节系统,该流量调节系统可以在单个或多个开关阀失灵的情况下,自动进行逻辑重构,利用剩余的可控开关阀通过脉码调制和脉宽调制混合方式进行控制,在流量调节范围有所缩小的情况下,可以尽量保证流量调节的精度,并限制流量波纹幅值在许可范围内,在故障情况下仍可达到很好的可控性,因而可以避免突然失控,为进行有计划的停机和修理争取时间。本文中对这种流量调节系统提出了几种具体的实施方案,并对其中一个具体方案建立了随机故障模型,对其寿命分布采用蒙特卡罗法进行了仿真研究。研究表明：采用自愈调控后,设定剩余量程比Y为93～60(%)时,对剧烈调节过程,阀组寿命期望值有19.6%～47.9%的提高,对平稳调节过程,阀组寿命期望值有15.2%-22.4%的提高。在多数情况下,出现故障报警后额外的可用寿命通常足以用来安排较为从容的、有计划的停车。该流量调节系统还可作为通用控制阀应用于连续生产的过程工业及飞行器控制系统等场合,可以提高系统整体可靠性,减少因紧急停车而带来的直接经济损失,同时也可以避免在紧急停车的混乱中造成进一步的故障和事故。通过对一个单平衡头刚性转子主动平衡系统进行控制仿真计算,验证了它的调节性能。基本的控制方法为：通过把不平衡矢量分解为两个正交方向,在每个方向上,把广义对象近似为一个带纯滞后的一阶滞后环节,分别采用一个控制器来控制,然后把两个控制器的输出重新组成一个矢量,再影射到3个储液室对应的方向,控制3个进料阀的开度,控制3股进液流量形成闭环控制。仿真控制结果表明：采用传统的PI控制,按公式计算控制器参数而得到的基本的PI控制在大幅值阶跃干扰的情况下具有较好的控制质量,而在小幅值阶跃干扰时调节效果稍差一点。如采用小增益的PI控制,小幅值阶跃干扰下调节性能稍有改善,但对大幅值阶跃干扰调节性能变差,正弦响应也变急剧变差。采用PI&Bang-Bang复式控制的情况下,总体调节品质反而不如第一个PI控制器。所以采用标准的PI控制算法和标准的控制参数通常应该是比较合理的选择。但具体的选择还应根据实际应用中干扰的特征和对调节过渡过程各主要性能指标的重视程度而调整。这里的平衡头算法也可作为下级模块应用在刚性转子双平衡头平衡,以至多平衡面多测量面系统的多跨柔性转子自动平衡系统中,所不同的是需要采用基于平衡方程、影响系数法、模态平衡法等方法的平衡算法作为上级计算模块。该控制算法具有较好的稳定性,但是由于平衡头本身的容量特性,在大幅值干扰时调节比较慢。如果对稳态精度要求不高,或是可以通过提高流量控制阀的可调比,则调节速度可以通过增大注液速度而得到改善。以具有自主知识产权的持续注液式平衡头和具有代偿自愈功能的PCM和PWM混合模式流量调节系统等两项技术复合构成的主动平衡系统,具有成本低、可靠性高、调节能力大、工作温度范围宽等突出的优点,其调节速度也基本可以满足大多数应用的要求。在以后的工业实践中,可以根据实际不平衡的特征和对调节性能侧重面的不同,作为一种可选方案来考虑。我们期望,通过在未来工业化的实际应用中的暴露问题,经受考验和完善,最终它能在各个领域得到更广泛的应用。
【作者】张鹏；
【导师】高金吉；
【作者基本信息】北京化工大学，控制理论与控制工程，2006，博士
【关键词】自愈调控；转子自动平衡；代偿；脉码调制；随机故障模型；

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