JP2008045687A - Magnetic bearing device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、フライホイール式電力貯蔵装置などに使用され、回転体を磁気軸受で非接触支持して電動モータにより回転させる磁気軸受装置に関する。 The present invention relates to a magnetic bearing device that is used in a flywheel type power storage device and the like, and a rotating body is supported by a magnetic bearing in a non-contact manner and rotated by an electric motor.
この種の磁気軸受装置として、機械本体とコントローラがケーブルで接続されており、機械本体に、回転体と、電磁石の磁気吸引力により回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受と、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を検出するための変位センサと、回転体を回転させる電動モータと、回転体の回転数を検出するための回転センサと、タッチダウン用の保護軸受とが設けられ、コントローラが、変位センサの出力に基づいて磁気軸受の電磁石を制御するとともに、回転センサの出力に基づいて電動モータを制御するものが知られている。 As this type of magnetic bearing device, the machine body and the controller are connected by a cable, and the machine body is a control-type axial that supports the rotating body in a non-contact manner in the axial and radial directions by the magnetic attractive force of the rotating body and electromagnet. A magnetic bearing and a radial magnetic bearing, a displacement sensor for detecting displacement in the axial direction and radial direction of the rotating body, an electric motor for rotating the rotating body, and a rotation sensor for detecting the rotational speed of the rotating body, A touchdown protective bearing is provided, and a controller controls an electromagnet of a magnetic bearing based on an output of a displacement sensor and controls an electric motor based on an output of a rotation sensor.
磁気軸受は強い非線形性を有しているため、線形理論を適用して制御を行うためには、平衡点近傍においてテイラー展開による一次近似を行うという線形化の手法がとられてきた。しかし、この線形化法は、回転体(ロータ)を常時浮上させるためには常にバイアス電流を供給しなければならない。さらに、バイアス電流を供給する手法では、回転時に回転体が磁束を常に横切ることとなり、相対的な回転体の磁束変動を発生させる。このため、磁性材料内部でのヒステリシス損失、渦電流損失が大きくなる。 Since magnetic bearings have a strong non-linearity, a linearization method has been used in which linear approximation is performed by Taylor expansion in the vicinity of the equilibrium point in order to perform control by applying linear theory. However, in this linearization method, a bias current must always be supplied in order to constantly float the rotating body (rotor). Further, in the method of supplying the bias current, the rotating body always crosses the magnetic flux during rotation, and the relative magnetic flux fluctuation of the rotating body is generated. For this reason, hysteresis loss and eddy current loss inside the magnetic material increase.
また、フライホイール式電力貯蔵装置の場合など、回転体にフライホイールが取り付けられている磁気軸受装置は、回転周波数の変化とともに、ジャイロ効果による前向き振れ回り運動や後向き振れ回り運動が発生し、回転体の軌跡に花びらのような振れ回りが発生し、安定性を損なう。 Also, in the case of a flywheel power storage device, a magnetic bearing device in which a flywheel is attached to a rotating body generates a forward swinging motion and a backward swinging motion due to the gyro effect as the rotational frequency changes. A petal-like whirling occurs in the trajectory of the body, impairing stability.
ゼロバイアス制御磁気軸受の従来技術は、制御器の次数を低次元化するため、ジャイロ効果を考慮していないモデリングであった。そのため、実際に回転させると、速度上昇に伴ってジャイロ効果が大きくなり、システムの安定性が悪くなる。 The prior art of the zero-bias control magnetic bearing was modeling that did not consider the gyro effect in order to reduce the order of the controller. Therefore, when actually rotating, the gyro effect increases as the speed increases, and the stability of the system deteriorates.
この発明の目的は、上記の問題を解決し、消費電力削減を目的としたバイアス電流を用いない線形化を行い、ジャイロ効果の影響による安定性の劣化を抑制できる磁気軸受装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a magnetic bearing device that solves the above problems, performs linearization without using a bias current for the purpose of reducing power consumption, and can suppress deterioration of stability due to the effect of the gyro effect. is there.
この発明の目的は、上記の問題を解決し、モデルベースからジャイロ効果を考慮し、回転速度によりコントローラのジャイロ補償のゲインをスケジューリングして、回転体の安定性を向上させた磁気軸受装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a magnetic bearing device that solves the above-mentioned problem, considers the gyro effect from the model base, schedules the gyro compensation gain of the controller according to the rotational speed, and improves the stability of the rotating body. There is to do.
この発明による磁気軸受装置は、消費電力削減を目的としたゼロバイアス線形制御を行う磁気軸受装置において、ジャイロ効果の影響による不安定を抑制するために、運動方程式に回転周波数に依存する項を付加した線形パラメータ変動システムを含んでおり、凸補間した制御器を予め複数用意しておき、回転周波数によって前記制御器を切り替えるゲインスケジュール制御を行うことを特徴とするものである。 The magnetic bearing device according to the present invention adds a term depending on the rotational frequency to the equation of motion in order to suppress instability due to the effect of the gyro effect in a magnetic bearing device that performs zero bias linear control for the purpose of reducing power consumption. A linear parameter variation system is included, and a plurality of convexly interpolated controllers are prepared in advance, and gain schedule control for switching the controllers according to the rotation frequency is performed.
磁気軸受が非線形性を有するのは、吸引力と電磁石への供給電流との間の関係式であり、吸引力を制御入力と考えることで、磁気軸受は線形な制御対象とみなすことができる。つまり、回転体が1つの電磁石に接近するとき、接近した電磁石の制御電流を零にして、反対側の電磁石にのみ制御電流を供給し、回転体が完全に平衡点になれば、一切の電流を流さないということである。 The magnetic bearing has non-linearity is a relational expression between the attractive force and the electric current supplied to the electromagnet. By considering the attractive force as a control input, the magnetic bearing can be regarded as a linear control object. In other words, when the rotating body approaches one electromagnet, the control current of the approaching electromagnet is set to zero, and the control current is supplied only to the opposite electromagnet. Is not to flow.
さらに、モデルを回転周波数によりシステムが変動する線形パラメータ依存モデルであると考え、ゲインスケジュール制御器を設計する。実験システムへゲインスケジュール制御器の実装を考えたとき、サンプリングごとの離散化は計算処理が遅れるという問題に対しては、凸補間された制御器に対して、予め回転数ごとに制御器を用意しておき、スケジューリングパラメータによって制御器を切り替えるという方法を提案する。 Furthermore, the gain schedule controller is designed considering that the model is a linear parameter dependent model in which the system varies depending on the rotation frequency. When implementing the gain schedule controller in the experimental system, a controller is prepared for each rotation speed in advance for the convex interpolation controller for the problem that the calculation process is delayed for discretization for each sampling. A method of switching the controller according to the scheduling parameter is proposed.
吸引力を制御入力と考えることで磁気軸受は線形な制御対象とする線形化方法を用いて対向配置する電磁石には一方しか電流を流さない。 Considering the attractive force as a control input, the magnetic bearing allows only one of the currents to flow through the electromagnets arranged opposite to each other using a linearization method that is a linear control target.
運動方程式に回転周波数に依存する項を付加し、線形パラメータ変動システムを構築することで、ジャイロ効果による影響をモデルに加える。 By adding a term that depends on the rotational frequency to the equation of motion and constructing a linear parameter fluctuation system, the effect of the gyro effect is added to the model.
実験にゲインスケジュール制御を適用する際は、予め凸補間した制御器をいくつか用意しておき、回転周波数によって制御器を切り替える方法を適用する。 When applying gain schedule control to an experiment, several controllers with convex interpolation are prepared in advance, and a method of switching the controllers according to the rotation frequency is applied.
電流切換により、ゼロバイアス制御を実現した。さらに、フライホイール・磁気軸受系に対してテーブルを用いたゲインスケジュール制御を提案したことで、浮上時だけではなく、回転実験においても、ロータは剛性モードおよび弾性モードの後向き振れ回り運動による花びらのような軌跡を十分に制御によって抑えることができる。 Zero bias control was realized by switching the current. Furthermore, we proposed gain schedule control using a table for the flywheel / magnetic bearing system. Such a trajectory can be sufficiently suppressed by control.
この発明による磁気軸受装置は、消費電力削減を目的としたゼロバイアス線形制御を行う磁気軸受装置において、ジャイロ効果の影響による不安定を抑制するために、運動方程式にジャイロ効果の項を付加した線形パラメータ変動システムを含んでおり、変動パラメータによって常に変動する超平面に状態量を追従させるジャイロ補償のためのゲインスケジュール制御を行うことを特徴とするものである。 The magnetic bearing device according to the present invention is a linear bearing in which a gyro effect term is added to the equation of motion in order to suppress instability due to the effect of the gyro effect in a magnetic bearing device that performs zero bias linear control for the purpose of reducing power consumption. A parameter fluctuation system is included, and gain schedule control for gyro compensation is performed to make the state quantity follow a hyperplane that constantly fluctuates according to the fluctuation parameter.
運動方程式にジャイロ効果の項を付加し、線形パラメータ変動システムを構築した。制御するため、状態量を変動パラメータによって常に変動する超平面に追従させるジャイロ補償のゲインスケジュール型スライディングモード制御則を考案した。 A linear parameter fluctuation system was constructed by adding a term of the gyro effect to the equation of motion. In order to control, a gyro-compensated gain-scheduled sliding mode control law was devised to make the state quantity follow a hyperplane that always fluctuates according to the fluctuation parameter.
電流切換により、ゼロバイアス制御を実現した。さらに、根軌跡から見ると、回転速度に係わらずほとんど動かない状態で安定性を保持できた。 Zero bias control was realized by switching the current. Furthermore, when viewed from the root locus, stability was maintained with almost no movement regardless of the rotational speed.
この発明の磁気軸受装置によれば、ジャイロ効果の影響による安定性の劣化を防止することができる。 According to the magnetic bearing device of the present invention, it is possible to prevent deterioration of stability due to the influence of the gyro effect.
この発明の磁気軸受装置によれば、回転体の安定性を向上させることができる。 According to the magnetic bearing device of the present invention, the stability of the rotating body can be improved.
以下、図面を参照して、この発明をフライホイール式電力貯蔵装置に使用される5軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a five-axis control type magnetic bearing device used in a flywheel power storage device will be described with reference to the drawings.
図1は磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図、図2は磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図3はさらに図2の主要部を示す斜視図である。 FIG. 1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of the magnetic bearing device, FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the main part of the mechanical part of the magnetic bearing device, and FIG. 3 is a perspective view showing the main part of FIG. is there.
磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体(1)およびコントローラ(制御手段)(2)を備えている。 The magnetic bearing device includes a machine body (1) and a controller (control means) (2) connected by a cable.
磁気軸受装置は、鉛直円筒状のケーシング(3)の内側で鉛直軸状の回転体(ロータ)(4)が回転する縦型のものであり、ケーシング(3)より突出した回転体(4)の上端部にフライホイール(4a)が固定されている。以下の説明において、回転体(4)の鉛直な軸方向(アキシアル方向)の制御軸(アキシアル制御軸)をZ軸、Z軸と直交するとともに互いに直交する2つの水平な径方向(ラジアル方向)の制御軸(ラジアル制御軸)をX軸およびY軸とする。 The magnetic bearing device is a vertical type in which a vertical shaft-like rotating body (rotor) (4) rotates inside a vertical cylindrical casing (3), and the rotating body (4) protruding from the casing (3) A flywheel (4a) is fixed to the upper end of the. In the following description, the control axis (axial control axis) in the vertical axis direction (axial direction) of the rotating body (4) is Z axis, two horizontal radial directions (radial direction) orthogonal to the Z axis and orthogonal to each other. These control axes (radial control axes) are defined as an X axis and a Y axis.
機械本体(1)には、回転体(4)を軸方向に非接触支持する1組の制御型アキシアル磁気軸受(5)、回転体(4)を径方向に非接触支持する上下2組の制御型ラジアル磁気軸受(6)(7)、回転体(4)の軸方向および径方向の変位を検出するための変位検出部(8)、回転体(4)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(9)、回転体(4)の回転数を検出するための回転センサ(10)、ならびに回転体(4)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(4)を磁気軸受(5)(6)(7)で支持していないときに回転体(4)を機械的に支持する上下2組のタッチダウン用の保護軸受(11)(12)が設けられている。 The machine body (1) has a set of control type axial magnetic bearings (5) that support the rotating body (4) in a non-contact manner in the axial direction, and two sets of upper and lower that support the rotating body (4) in a non-contact manner in the radial direction. Control type radial magnetic bearing (6) (7), displacement detector (8) for detecting axial and radial displacement of the rotating body (4), built-in type for rotating the rotating body (4) at high speed The electric motor (9), the rotation sensor (10) for detecting the number of rotations of the rotating body (4), and the rotating body (4) by restricting the movable range in the axial direction and the radial direction of the rotating body (4) Two sets of upper and lower touch-down protection bearings (11) and (12) that mechanically support the rotating body (4) when not supported by the magnetic bearings (5), (6), and (7) are provided. .
コントローラ(2)には、センサ回路(13)(14)、電磁石駆動回路(15)、インバータ(16)およびDSPボード(17)が設けられ、DSPボード(17)には、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのDSP(18)、ROM(19)、不揮発性記憶装置としてのRAM(20)、AD変換器(21)(22)およびDA変換器(23)(24)が設けられている。 The controller (2) is provided with a sensor circuit (13) (14), an electromagnet drive circuit (15), an inverter (16) and a DSP board (17), and the DSP board (17) can be software-programmed. A DSP (18), ROM (19) as a digital processing means, a RAM (20) as a nonvolatile storage device, AD converters (21) (22), and DA converters (23) (24) are provided. .
変位検出部(8)は、回転体(4)の軸方向の変位を検出するための1個のアキシアル変位センサ(25)、および回転体(4)の径方向の変位を検出するための上下2組のラジアル変位センサユニット(26)(27)を備えている。 The displacement detector (8) includes an axial displacement sensor (25) for detecting the axial displacement of the rotating body (4) and an upper and lower position for detecting the radial displacement of the rotating body (4). Two sets of radial displacement sensor units (26) and (27) are provided.
アキシアル磁気軸受(5)は、回転体(4)の下部に一体に形成されたフランジ部(4b)をZ軸方向の両側から挟むように配置された1対のアキシアル電磁石(28a)(28b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(28)で総称する。 The axial magnetic bearing (5) is a pair of axial electromagnets (28a) (28b) arranged so as to sandwich a flange portion (4b) formed integrally with the lower part of the rotating body (4) from both sides in the Z-axis direction. It has. The axial electromagnet is generically designated by reference numeral (28).
アキシアル変位センサ(25)は、回転体(4)の下端面にZ軸方向の下側から対向するように配置され、回転体(4)の下端面との距離(空隙)に比例する距離信号を出力する。 The axial displacement sensor (25) is disposed so as to face the lower end surface of the rotating body (4) from the lower side in the Z-axis direction, and is a distance signal proportional to the distance (gap) from the lower end surface of the rotating body (4). Is output.
2組のラジアル磁気軸受(6)(7)は、アキシアル磁気軸受(5)の上側において上下方向に所定の距離をおいて配置されており、これらの間にモータ(9)が配置されている。上側のラジアル磁気軸受(6)は、回転体(4)をX軸方向の両側から挟むように配置された1対のラジアル電磁石(29a)(29b)、および回転体(4)をY軸方向の両側から挟むように配置された1対のラジアル電磁石(29c)(29d)を備えている。これらのラジアル電磁石は、符号(29)で総称する。同様に、下側のラジアル磁気軸受(7)も、2対のラジアル電磁石(30a)(30b)(30c)(30d)を備えている。これらの電磁石も、符号(30)で総称する。 The two sets of radial magnetic bearings (6) and (7) are arranged at a predetermined distance in the vertical direction on the upper side of the axial magnetic bearing (5), and the motor (9) is arranged therebetween. . The upper radial magnetic bearing (6) includes a pair of radial electromagnets (29a) (29b) arranged so as to sandwich the rotating body (4) from both sides in the X-axis direction, and the rotating body (4) in the Y-axis direction. A pair of radial electromagnets (29c) and (29d) arranged so as to be sandwiched from both sides of the same. These radial electromagnets are collectively referred to by reference numeral (29). Similarly, the lower radial magnetic bearing (7) also includes two pairs of radial electromagnets (30a) (30b) (30c) (30d). These electromagnets are also collectively referred to by reference numeral (30).
上側のラジアル変位センサユニット(26)は、上側のラジアル磁気軸受(6)の近傍に配置されており、X軸方向の電磁石(29a)(29b)の近傍においてX軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された1対のラジアル変位センサ(31a)(31b)、およびY軸方向の電磁石(29c)(29d)の近傍においてY軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された1対のラジアル変位センサ(31c)(31d)を備えている。これらのラジアル変位センサは、符号(31)で総称する。同様に、下側のラジアル変位センサユニット(27)は、下側のラジアル磁気軸受(7)の近傍に配置されており、2対のラジアル変位センサ(32a)(32b)(32c)(32d)を備えている。これらのラジアル変位センサも、符号(32)で総称する。各ラジアル変位センサ(31)(32)は、回転体(4)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。 The upper radial displacement sensor unit (26) is disposed in the vicinity of the upper radial magnetic bearing (6), and is rotated from both sides in the X-axis direction in the vicinity of the electromagnets (29a) and (29b) in the X-axis direction. 4) A pair of radial displacement sensors (31a) and (31b) arranged to sandwich the rotating body (4) from both sides in the Y-axis direction in the vicinity of the Y-axis electromagnets (29c) and (29d) A pair of radial displacement sensors (31c) and (31d) arranged as described above are provided. These radial displacement sensors are collectively referred to by reference numeral (31). Similarly, the lower radial displacement sensor unit (27) is disposed in the vicinity of the lower radial magnetic bearing (7), and two pairs of radial displacement sensors (32a) (32b) (32c) (32d) It has. These radial displacement sensors are also collectively referred to by reference numeral (32). Each radial displacement sensor (31) (32) outputs a distance signal proportional to the distance from the outer peripheral surface of the rotating body (4).
電磁石(28)(29)(30)、変位センサ(25)(31)(32)は、ケーシング(3)に固定されている。 The electromagnets (28) (29) (30) and the displacement sensors (25) (31) (32) are fixed to the casing (3).
保護軸受(11)(12)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(11)(12)の外輪がケーシング(3)に固定され、内輪が回転体(4)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。2組の保護軸受(11)(12)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも1組は軸方向の支持も可能なものである。この例では、上側の保護軸受(11)は径方向の支持のみを行い、下側の保護軸受(12)は径方向の支持と軸方向の支持を行うようになっている。 The protective bearings (11) and (12) are rolling bearings such as angular ball bearings, the outer rings of the respective protective bearings (11) and (12) are fixed to the casing (3), and the inner rings are arranged around the rotating body (4). It is arranged with a gap. The two sets of protective bearings (11) and (12) can both be supported in the radial direction, and at least one set can also be supported in the axial direction. In this example, the upper protective bearing (11) only supports radial support, and the lower protective bearing (12) supports radial support and axial support.
コントローラ(2)のROM(19)には、DSP(18)における処理プログラムなどが格納されている。RAM(20)には、磁気軸受の制御パラメータなどが記憶されている。 The ROM (19) of the controller (2) stores a processing program for the DSP (18). The RAM (20) stores control parameters for the magnetic bearing.
センサ回路(13)は、変位検出部(8)の各変位センサ(25)(31)(32)を駆動し、各変位センサ(25)(31)(32)の出力に基づいて、回転体(4)の軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサユニット(26)(27)の部分におけるX軸方向およびY軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をAD変換器(21)を介してDSP(18)に出力する。変位検出部(8)およびセンサ回路(13)により変位検出装置が構成され、変位検出部(8)のラジアル変位センサユニット(26)(27)およびセンサ回路(13)のラジアル変位センサ(31)(32)に関する部分によりラジアル変位検出装置が構成されている。 The sensor circuit (13) drives the displacement sensors (25), (31), and (32) of the displacement detector (8), and based on the outputs of the displacement sensors (25), (31), and (32), the rotating body The displacement in the axial direction of (4) and the displacement in the X-axis direction and the Y-axis direction in the upper and lower radial displacement sensor units (26) and (27) are calculated, and the displacement signal as the calculation result is converted into an AD converter ( 21) to the DSP (18). The displacement detector (8) and the sensor circuit (13) constitute a displacement detector, the radial displacement sensor unit (26) (27) of the displacement detector (8) and the radial displacement sensor (31) of the sensor circuit (13). The portion related to (32) constitutes a radial displacement detector.
センサ回路(14)は、回転センサ(10)を駆動し、回転センサ(10)の出力を回転体(4)の回転数に対応する回転数信号に変換し、これをAD変換器(22)を介してDSP(18)に出力する。 The sensor circuit (14) drives the rotation sensor (10), converts the output of the rotation sensor (10) into a rotation speed signal corresponding to the rotation speed of the rotating body (4), and converts this to an AD converter (22) To the DSP (18).
DSP(18)は、AD変換器(21)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(5)(6)(7)の各電磁石(28)(29)(30)に対する制御電流値を求め、制御電流値に対応する励磁電流信号をDA変換器(21)を介して磁気軸受駆動回路(15)に出力する。そして、駆動回路(15)は、DSP(18)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(5)(6)(7)の電磁石(28)(29)(30)に供給し、これにより、回転体(4)が所定の目標位置に非接触される。DSP(18)は、また、AD変換器(22)から入力する回転センサ(10)からの回転数信号に基づいて、モータ(9)に対する電流制御信号をDA変換器(24)を介してインバータ(16)に出力し、インバータ(16)は、この信号に基づいて、モータ(9)の電流を制御することにより、回転数を制御する。そして、その結果、回転体(4)が、磁気軸受(5)(6)(7)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(9)により高速回転させられる。 Based on the displacement signal input from the AD converter (21), the DSP (18) calculates the control current value for the electromagnets (28), (29), (30) of the magnetic bearings (5), (6), and (7). The excitation current signal corresponding to the control current value is obtained and output to the magnetic bearing drive circuit (15) via the DA converter (21). The drive circuit (15) supplies the excitation current based on the excitation current signal from the DSP (18) to the electromagnets (28), (29), (30) of the corresponding magnetic bearings (5), (6), (7). Thereby, the rotating body (4) is brought into non-contact with the predetermined target position. The DSP (18) also converts the current control signal for the motor (9) to the inverter via the DA converter (24) based on the rotation speed signal from the rotation sensor (10) input from the AD converter (22). Based on this signal, the inverter (16) controls the current of the motor (9) to control the rotation speed. As a result, the rotating body (4) is rotated at high speed by the motor (9) while being supported in a non-contact manner at the target position by the magnetic bearings (5), (6) and (7).
次に、DSP(18)による上下のラジアル電磁石(29)(30)の制御について説明する。 Next, control of the upper and lower radial electromagnets (29) and (30) by the DSP (18) will be described.
フライホイール・磁気軸受系のゲインスケジュールH∞制御
磁気軸受は不安定な系であることから、フィードバック制御による安定化が課題である。さらに、磁気軸受は、強い非線形性を有しているため、線形理論を適用して制御を行うためには、平衡点近傍においてテイラー展開による一次近似を行うという線形化の手法がとられてきた。しかし、この線形化法は、ロータを常時浮上させるためには常にバイアス電流を供給しなければならない。さらに、バイアス電流を供給する手法では、回転時にロータが磁束を常に横切ることとなり、相対的なロータの磁束変動を発生させる。このため、磁性材料内部でのヒステリシス損失、渦電流損失が大きくなる。このため、エネルギ貯蔵用フライホイールなどにおけるエネルギ収支の観点から消費電力、回転損失が大きいという欠点を持つ。
Gain schedule H∞ control of flywheel / magnetic bearing system Since magnetic bearings are unstable systems, stabilization by feedback control is an issue. Furthermore, since magnetic bearings have strong non-linearity, in order to perform control by applying linear theory, a linearization method has been adopted in which linear approximation is performed by Taylor expansion near the equilibrium point. . However, this linearization method must always supply a bias current in order to always float the rotor. Further, in the method of supplying a bias current, the rotor always crosses the magnetic flux during rotation, and a relative rotor magnetic flux fluctuation is generated. For this reason, hysteresis loss and eddy current loss inside the magnetic material increase. For this reason, it has the fault that power consumption and a rotation loss are large from a viewpoint of the energy balance in the flywheel for energy storage.
そこで、近年、磁気軸受において消費電力の最小化を目指し、バイアス電流を用いない制御方式が盛んに研究されている。ある研究では、従来の電流を制御入力と考え、ゼロパワー制御を行っているが、制御電流に定常偏差が残る結果となった。従来、磁気軸受において、制御入力は電流として考えてきた。しかし、磁気軸受が非線形性を有するのは、吸引力と電磁石への供給電流との間の関係式であり、吸引力を制御入力と考えることで、磁気軸受は線形な制御対象とみなすことができる。 Therefore, in recent years, a control system that does not use a bias current has been actively studied with the aim of minimizing power consumption in magnetic bearings. In one study, the conventional current is considered as the control input and zero power control is performed, but the control current has a steady deviation. Conventionally, in a magnetic bearing, the control input has been considered as a current. However, magnetic bearings have non-linearity because of the relational expression between the attractive force and the current supplied to the electromagnet. By considering the attractive force as a control input, the magnetic bearing can be regarded as a linear control object. it can.
先行研究では、ロバスト制御理論の適用が行われ、その有効性が確認されている。また、非線形な制御型磁気軸受の特性に対して、吸引力を制御入力と考えるゼロバイアス手法を提案し、消費電力の低減化に成功した。 In previous studies, robust control theory was applied and its effectiveness was confirmed. In addition, we proposed a zero bias method that considers the attractive force as a control input for the characteristics of nonlinear control type magnetic bearings, and succeeded in reducing power consumption.
しかし、実験において、ロータの軌跡に乱れが発生し、100Hz付近にてタッチダウンに至る。これは、慣性力を増加させることを目的にフライホイールがロータに取り付けられているために、ジャイロ効果による前向き触れ回り運動や後向き触れ回り運動の発生、およびそれらの固有振動数の変化が高速回転を妨げていることが原因であると考えられる。 However, in the experiment, the trajectory of the rotor is disturbed, and touchdown occurs near 100 Hz. This is because the flywheel is attached to the rotor for the purpose of increasing the inertial force, so that the forward and rearward touching movements due to the gyro effect and the change in their natural frequencies rotate at high speed. It is thought that this is caused by obstructing.
そこで、本論文では、まず、ジャイロ効果の特性を考慮したモデリングを行った。プラントのA行列に回転周波数ωを定数として考慮し、H∞固定制御器の性能をシミュレーションおよび実験にて検証する。 Therefore, in this paper, we first modeled the characteristics of the gyro effect. Considering the rotation frequency ω as a constant in the A matrix of the plant, the performance of the H∞ fixed controller is verified by simulation and experiment.
次に、回転周波数によりシステムが変動する線形パラメータ依存モデル(LPV)であると考え、ゲインスケジュール(GS)制御器を設計し、H∞固定制御器との比較をシミュレーションおよび固有値解析にて行う。実験システムへGS制御器の実装を考えたとき、サンプリングごとの離散化は計算処理が遅れるという問題に対しては、凸補間された制御器に対して、予め回転数ごとに制御器を用意しておき、GSパラメータによって制御器を切り替えるという方法を提案する。また、テーブルを用いることでGS制御器の閉ループ安定性が損なわれないかを、初期応答により検証する。 Next, considering that the system is a linear parameter dependent model (LPV) in which the system fluctuates depending on the rotation frequency, a gain schedule (GS) controller is designed and compared with the H∞ fixed controller by simulation and eigenvalue analysis. When considering the implementation of the GS controller in the experimental system, a controller is prepared in advance for each rotation speed against the controller with convex interpolation for the problem that the discretization for each sampling delays the calculation process. A method of switching the controller according to the GS parameter is proposed. In addition, it is verified from the initial response whether the closed loop stability of the GS controller is impaired by using the table.
最後に、実験において制御性能を劣化させていると考えられる曲げ一次弾性バックモードを含む低次元化モデルを用いて検証する。シミュレーションを実験の不一致問題に対して、原因がアクチュエータの諸元によるものと考え、GS制御器にαという未知パラメータ係数を加えたときの、閉ループの固有値解析を行う。 Finally, we verify using a reduced-order model including a bending primary elastic back mode, which is thought to have deteriorated control performance in the experiment. The simulation is considered to be due to the specifications of the actuator for the experimental inconsistency problem, and a closed-loop eigenvalue analysis is performed when an unknown parameter coefficient of α is added to the GS controller.
本論文は、0.5KWh級磁気軸受フライホイールシステムに対して、LMIに基づくGS制御の有効性について論じたものである。 This paper discusses the effectiveness of LMI-based GS control for a 0.5 kWh class magnetic bearing flywheel system.
制御対象は、図1〜図3に示す磁気軸受装置である。 The controlled object is the magnetic bearing device shown in FIGS.
3.制御理論
3.1 概念
H∞制御では、種々の制御問題を統一的な枠組みで扱えるよう、図4に示すフィードバック系が用いられる。図4において、Gはプラントと呼ばれ、次式で示す入出力信号を持つ伝達関数として定義される。
また、Gの状態空間実現は、次のように定義される。
ここで、w∈Rm1は外部入力と呼ばれ、参照信号や外乱、センサノイズなど、制御系に外部から加わる入力を表し、z∈Rp1は制御量と呼ばれ、制御偏差や制御入力など、制御によって小さくしたい量を表す。また、u∈Rm2およびy∈Rp2は、制御入力と観測出力で、それぞれ、補償器からの出力および入力となる量である。今、一般化プラントGに対して補償器
u=Ky (3.3)
を用いてフィードバック制御を行うと、wからzまでの伝達関数は次式となる。
Here, w∈R m1 is referred to as an external input, and represents an input applied to the control system from the outside such as a reference signal, disturbance, sensor noise, etc., z∈R p1 is referred to as a controlled variable, and control deviation, control input, etc. , Represents the amount you want to reduce by control. Further, uεR m2 and yεR p2 are quantities that become the output and input from the compensator, respectively, in the control input and the observation output. Now, compensator for generalized plant G u = Ky (3.3)
When the feedback control is performed using, the transfer function from w to z is as follows.
z=Gzww
ただし、
Gzw:=G11+G12K(A−G22K)−1G21 (3.4)
である。制御目的は外部入力wに対して、制御量zをなるべく小さく抑えることである。したがって、伝達関数Gzwの大きさを何らかの意味で小さくする補償器Kを設計すればよい。H∞制御においては、このGzwの大きさの尺度としてH∞ノルムというものを用いる。Gzwが安定であるとき、そのH∞ノルムを‖Gzw‖∞と書き、次のように定義する。
However,
G zw : = G 11 + G 12 K (A−G 22 K) −1 G 21 (3.4)
It is. The control purpose is to keep the control amount z as small as possible with respect to the external input w. Therefore, a compensator K that reduces the size of the transfer function G zw in any sense may be designed. In H∞ control, an H∞ norm is used as a measure of the magnitude of G zw . When G zw is stable, its H∞ norm is written as ‖G zw ‖∞ and defined as follows.
ここで、σは行列の最大特異値を表し、次式で定義される。
ここで、λmaxは行列の最大固有値、
は行列Gzw(jw)の複素共役転置である。このとき、H∞ノルムは入出力のエネルギ比の最大値を意味する。 Is the complex conjugate transpose of the matrix G zw (jw). At this time, the H∞ norm means the maximum value of the input / output energy ratio.
以上のことを踏まえて、H∞制御問題は、図4の一般化プラントGに対してu=Kyなるフィードバック制御を行うことにより、閉ループを安定化し、かつ、ある与えられた整数γに対して
‖Gzw(s)‖∞<γ (3.7)
を満たす補償器Kを求めることである。このようにH∞制御問題は非常にシンプルなものとして定式化されており、Gの構成を変えることで、つまり外部入力w、制御量zを制御目的に合わせて選ぶことにより、ロバスト制御、外乱抑圧制御、感度最適化、目標値追従、そして閉ループ整形問題など様々な問題に適用することができる。また、式(3.2)の定義、さらに以下の仮定の下ではH∞制御問題は、標準H∞制御問題と呼ばれる。
Based on the above, the H∞ control problem stabilizes the closed loop by performing feedback control with u = Ky on the generalized plant G in FIG. ‖G zw (s) ‖∞ <γ (3.7)
The compensator K that satisfies As described above, the H∞ control problem is formulated as a very simple one. By changing the configuration of G, that is, by selecting the external input w and the control amount z according to the control purpose, robust control, disturbance It can be applied to various problems such as suppression control, sensitivity optimization, target value tracking, and closed-loop shaping problems. Also, under the definition of equation (3.2) and the following assumptions, the H∞ control problem is called a standard H∞ control problem.
仮定1 (A,B2)は可安定、かつ(C2,A)は可検出
仮定2 D12は縦長列フルランク、かつD21は横長行フルランク
仮定3 G12は虚軸上に不変零点を持たない、すなわち、すべてのwに対して、
はフルランク
仮定4 G21は虚軸上に不変零点を持たない、すなわち、すべてのwに対して、
はフルランク
3.2 外乱抑圧制御とH∞制御
フィードバック制御は制御対象を安定化させることだけが目的ではなく、抑制問題、たとえば外乱抑制特性、目標値追従特性を達成することも目的である。前節のH∞制御問題においてwを実外乱、zを外乱の影響を抑えたい物理量にとれば外乱抑制制御そのものになる。今、図5(a)のように、制御対象の入力端に加わる外乱wを出力端zで抑圧する問題を考える。z、uはそれぞれ
z=y=P(u+w) , u=Ky (3.8)
と表せる。これより、wからzまでの伝達関数は
z=(A−PK)−1Pw (3.9)
と求まる。つまり、図5(a)における外乱抑圧問題は、なるべく小さな正数γに対して、
‖(A−PK)−1P‖∞<γ (3.10)
を満たす補償器Kを求める問題となる。ただし、式(3.10)の評価では、H∞ノルムの定義よりwからzまでの伝達関数のゲイン(多入出力系ならば最大特異値)をすべての周波数帯域にわたってγ以下に押さえることを意味し、一般には厳しい要求となる。しかし、実際には、すべての周波数帯域で周波数スペクトルが大きいという外乱は見られない。そこで、外乱wの周波数スペクトルが大きな周波数帯域でのみ(A−PK)−1Pを小さくできれば十分となる。そこで、小さくしたい周波数帯域でのみ十分大きなゲインを持つ伝達関数WMを導入し、式(3.10)の代わりに、
‖WM(A−PK)−1P‖∞<γ (3.11)
とする。今、
Mr:=(A−PK)−1P (3.12)
と定義し、Mrが1入出力の場合を考えると、H∞ノルムの定義より、式(3.11)は
|WM(jw)||Mr(jw)|<γ,∀w (3.13)
に等価であるので、|WM(jw)|が大きな周波数帯域では、|Mr(jw)|をとくに小さくすることができることがわかる。
Full rank 3.2 Disturbance suppression control and H∞ control Feedback control is not only aimed at stabilizing the controlled object, but also aimed at achieving suppression problems such as disturbance suppression characteristics and target value tracking characteristics. In the H∞ control problem in the previous section, if w is an actual disturbance and z is a physical quantity for which the influence of the disturbance is to be suppressed, the disturbance suppression control itself is obtained. Now, as shown in FIG. 5A, consider the problem of suppressing the disturbance w applied to the input end to be controlled at the output end z. z and u are respectively z = y = P (u + w) and u = Ky (3.8)
It can be expressed. From this, the transfer function from w to z is z = (A−PK) −1 Pw (3.9)
It is obtained. That is, the disturbance suppression problem in FIG. 5 (a) is as small as possible positive number γ.
‖ (A-PK) −1 P‖∞ <γ (3.10)
This is a problem of finding a compensator K that satisfies the above. However, in the evaluation of formula (3.10), it means that the gain of the transfer function from w to z (maximum singular value in the case of multiple input / output systems) is kept below γ over all frequency bands from the definition of H∞ norm. In general, this is a strict requirement. However, in practice, there is no disturbance that the frequency spectrum is large in all frequency bands. Therefore, it is sufficient if (A-PK) −1 P can be reduced only in a frequency band in which the frequency spectrum of the disturbance w is large. Therefore, a transfer function W M having a sufficiently large gain is introduced only in the frequency band to be reduced, and instead of the equation (3.10),
‖W M (A-PK) -1 P‖∞ <γ (3.11)
And now,
Mr : = (A-PK) -1P (3.12)
When M r is 1 input / output, from the definition of H∞ norm, equation (3.11) is | W M (jw) || M r (jw) | <γ, ∀w (3.13)
Thus, it can be seen that | M r (jw) | can be made particularly small in a frequency band where | W M (jw) | is large.
3.3 目標値追従制御とH∞制御
次に、wを目標値、zを出力信号ととれば、目標値追従制御そのものになる。今、図6において、wからzまでの伝達関数は
z=(A−PK)−1w (3.14)
と求まる。つまり、図6(a)における目標値追従問題は、なるべく小さな正数γに対して、
‖(A−PK)−1‖∞<γ (3.15)
を満たす補償器Kを求める問題となる。ただし、前節同様、式(3.15)の評価では、wからzまでの伝達関数のゲイン(多入出力系ならば最大特異値)をすべての周波数帯域にわたってγ以下に押さえるは、一般には厳しい要求となる。そこで、小さくしたい周波数帯域でのみ十分大きなゲインを持つ伝達関数WMを導入し、式(3.15)の代わりに、
‖WM(A−PK)−1‖∞<γ (3.16)
とする。今、
Mt:=(A−PK)−1 (3.17)
と定義し、Mtが1入出力の場合を考えると、式(3.16)は
|WM(jw)||Mt(jw)|<γ,∀w (3.18)
に等価であるので、|WM(jw)|が大きな周波数帯域では、|Mt(jw)|をとくに小さくすることができることがわかる。また、一般に式(3.17)は感度関数と呼ばれる。
3.3 Target Value Tracking Control and H∞ Control Next, if w is a target value and z is an output signal, target value tracking control itself is obtained. In FIG. 6, the transfer function from w to z is z = (A−PK) −1 w (3.14)
It is obtained. That is, the target value tracking problem in FIG. 6A is as small as possible positive number γ.
‖ (A-PK) -1 ‖∞ <γ (3.15)
This is a problem of finding a compensator K that satisfies the above. However, as in the previous section, in the evaluation of equation (3.15), it is generally a strict requirement to keep the gain of the transfer function from w to z (maximum singular value for multiple input / output systems) below γ over all frequency bands. Become. Therefore, a transfer function W M having a sufficiently large gain is introduced only in the frequency band to be reduced, and instead of the equation (3.15),
‖W M (A-PK) -1 ‖∞ <γ (3.16)
And now,
M t : = (A−PK) −1 (3.17)
When M t is 1 input / output, the equation (3.16) is expressed as | W M (jw) || M t (jw) | <γ, ∀w (3.18)
Thus, it can be seen that | M t (jw) | can be made particularly small in a frequency band where | W M (jw) | is large. In general, equation (3.17) is called a sensitivity function.
3.4 ロバスト安定化問題
H∞制御ではロバスト安定化問題を陽に取り扱うことができるが、これはロバスト安定性を保証する際に用いるスモールゲイン定理がH∞ノルム条件で記述されているからである。
3.4 Robust Stabilization Problem H∞ control can handle the robust stabilization problem explicitly, because the small gain theorem used to guarantee robust stability is described in the H∞ norm condition. is there.
定理3.1(スモールゲイン定理)
図7において、A(s)およびB(s)は安定でプロパな伝達関数とする。このとき、
‖A(s)B(s)‖∞<1 (3.19)
を満たすと、図7の閉ループは安定となる。
Theorem 3.1 (Small Gain Theorem)
In FIG. 7, A (s) and B (s) are stable and proper transfer functions. At this time,
‖A (s) B (s) ‖∞ <1 (3.19)
If the condition is satisfied, the closed loop of FIG. 7 becomes stable.
3.5 乗法的誤差に対するロバスト安定化
図8(a)において、フィードバック系のロバスト安定化問題を考える。実制御対象Pは公称モデルPとそれに対する乗法的誤差Δを用いて
P=(I+Δ)P (3.20)
と表される。ここで、Δは簡単のため安定と仮定する。また、図8(a)において、点aから点bまでの伝達関数を求めると
Tm:=(I−PK)−1PK (3.21)
となる。ここで、式(3.21)を相補感度関数と呼ぶ。このとき、図8(a)と図8(b)は等価であるので、スモールゲイン定理を適用すると、安定となるための条件
‖ΔTm‖∞<1 (3.22)
を得る。しかし、モデル化誤差を正確に見積もることは不可能である。したがって、
σ{Δ(jw)}<|wm(jw)| , ∀w (3.23)
を満たす既知のスカラ伝達関数wmを用いることで
‖wmTm‖∞<1 (3.24)
が成り立つことが、ロバスト安定のための条件となる。したがって、図8(c)の一般化プラントを構成し、wからzまでのH∞ノルムを1未満とする補償器Kを求めればよい。
3.5 Robust stabilization against multiplicative errors In Fig. 8 (a), consider the robust stabilization problem of the feedback system. The actual control object P is obtained by using the nominal model P and the multiplicative error Δ for it. P = (I + Δ) P (3.20)
It is expressed. Here, Δ is assumed to be stable for simplicity. Further, in FIG. 8A, when the transfer function from the point a to the point b is obtained, T m : = (I−PK) −1 PK (3.21)
It becomes. Here, Equation (3.21) is called a complementary sensitivity function. At this time, since FIG. 8 (a) and FIG. 8 (b) are equivalent, the condition for stability when applying the small gain theorem ‖ΔT m ‖∞ <1 (3.22)
Get. However, it is impossible to accurately estimate the modeling error. Therefore,
σ {Δ (jw)} <| w m (jw) |, ∀w (3.23)
By using a known scalar transfer function w m that satisfies ‖w m T m ‖∞ <1 (3.24)
This is a condition for robust stability. Therefore, what is necessary is just to obtain | require the compensator K which comprises the generalized plant of FIG.8 (c) and makes Hinfinity norm from w to z less than one.
3.6 混合感度問題
本来、フィードバック制御を行う目的は、ある種の制御性能を達成しながらも、ロバスト安定化を図ることである。つまり、制御性能のみを考慮しても、必ず存在するモデル化誤差を保証しない。また、ロバスト安定化のみを図っても、それは十分条件でしかない。やはり、制御性能、ロバスト安定化の両方を考慮した設計をしなければならない。今、図9のブロック線図を考える。ここで、w1、w2は外部入力、z1、z2は制御量である。w2からz1までの伝達関数Gz1w2は
Gz1w2=Ws(s)Mt(s) (3.25)
ここで、
Mt(s)=(I+PK)−1 (3.26)
と表され、目標値追従性を達成するものであり、式(3.26)は重み付き感度関数でもある。これを小さくすることが感度低減問題となる。一般に、低周波域に重みを付けて感度を下げることが多い。したがって、感度低減問題は次式の評価関数となり、できるだけ小さいγを探索する問題となる。
3.6 Mixing sensitivity problem Originally, the purpose of feedback control is to achieve robust stabilization while achieving some kind of control performance. In other words, even if only the control performance is considered, the existing modeling error is not guaranteed. Even if only robust stabilization is achieved, it is only a sufficient condition. After all, the design must consider both control performance and robust stabilization. Now consider the block diagram of FIG. Here, w 1 and w 2 are external inputs, and z 1 and z 2 are control amounts. The transfer function G z1w2 from w 2 to z 1 is G z1w2 = W s (s) M t (s) (3.25)
here,
M t (s) = (I + PK) −1 (3.26)
The target value followability is achieved, and equation (3.26) is also a weighted sensitivity function. Decreasing this becomes a problem of sensitivity reduction. In general, the sensitivity is often lowered by weighting the low frequency range. Therefore, the sensitivity reduction problem becomes an evaluation function of the following equation, and becomes a problem of searching for the smallest possible γ.
‖Gz1w2‖∞<γ (3.27)
また、外乱抑圧特性を達成するためには、w1からz1までの伝達関数Gz1w1
Gz1w1=Ws(s)Mr(s) (3.28)
ここで、
Mr(s)=(I+PK)−1P (3.29)
においても、できるだけ小さいγを探索する問題となる。
‖G z1w2 ‖∞ <γ (3.27)
In order to achieve the disturbance suppression characteristic, the transfer function G z1w1 from w 1 to z 1 is used.
G z1w1 = W s (s) M r (s) (3.28)
here,
M r (s) = (I + PK) −1 P (3.29)
However, there is a problem of searching for the smallest possible γ.
‖Gz1w1‖∞<γ (3.30)
一方、ロバスト安定性を確保するためには、w1からz2までの伝達関数Gz2w1は
Gz2w1=Wt(s)Tm(s) (3.31)
ここで、
Tm(s)=(I+PK)−1K (3.32)
であるので、
‖Gz2w1‖∞<1 (3.33)
を満たすように設計しなければならない。さらに、w2からz2までの伝達関数Gz2w2
Gz2w2=Wt(s)Ta(s) (3.34)
ここで、
Ta(s)=(I+PK)−1K (3.35)
においても
‖Gz2w2‖∞<1 (3.36)
を満たすように設計しなければならない。なお、式(3.35)を一般的に準相補感度関数と呼ぶ。式(3.27)、式(3.30)、式(3.33)、式(3.36)を同時に満たすのは相反する要求であり、トレードオフを考えなければならない。現実には、Sの重みWs(jw)は低周波域で大きくとればよく、制御対象の不確定性を反映するWt(jw)は高周波域で大きくとればよい。よって、低周波域でMt(s)、Mr(s)を、高周波域でTm(s)、Ta(s)を小さくするという設計指針が導かれる。このような問題を混合感度問題という。式(3.27)、式(3.30)、式(3.33)、式(3.36)の組み合わせでは
On the other hand, in order to ensure robust stability, the transfer function G z2w1 from w 1 to z 2 is expressed as G z2w1 = W t (s) T m (s) (3.31)
here,
T m (s) = (I + PK) −1 K (3.32)
So
‖G z2w1 ‖∞ <1 (3.33)
Must be designed to meet Furthermore, the transfer function G z2w2 from w 2 to z 2
G z2w2 = W t (s) T a (s) (3.34)
here,
T a (s) = (I + PK) −1 K (3.35)
Even in ‖G z2w2 < ∞ <1 (3.36)
Must be designed to meet Equation (3.35) is generally called a quasi-complementary sensitivity function. It is a conflicting requirement to satisfy Equation (3.27), Equation (3.30), Equation (3.33), and Equation (3.36) at the same time, and a trade-off must be considered. Actually, the weight W s (jw) of S may be large in the low frequency range, and W t (jw) reflecting the uncertainty of the control target may be large in the high frequency range. Therefore, a design guideline for reducing M t (s) and M r (s) in the low frequency region and T m (s) and T a (s) in the high frequency region is derived. Such a problem is called a mixed sensitivity problem. In combination of formula (3.27), formula (3.30), formula (3.33), formula (3.36)
となり、式(3.37)を同時に満たす補償器K(s)を設計する問題となる。今、w=[w1 w2]T、[z1 z2]Tなる変数を定義すると、wからzまでの伝達関数は
となり、式(3.37)の代わりに
を満たす補償器K(s)を求める問題となる。 This is a problem of finding a compensator K (s) that satisfies the above.
3.7 LMIに基づくゲインスケジュールH∞制御
LMIベースのGSH∞制御の定式化は文献に詳しく述べられている。本研究ではこの定式化に基づき制御系を設計することである。制御対象プラントと制御器の状態空間表現を次式で表す。
ここで、xおよびxkはそれぞれプラントと制御器の状態ベクトル、zとyは制御量と測定された出力ベクトルを表す。uは制御入力、wは外乱入力ベクトルである。2つの式を組み合わせると、次式の閉ループ系の式が得られる。
閉ループ行列Acl、Bcl、Ccl、Dclは
ここで
制御器行列は単位行列Ωにまとめられることに注目しよう。リアプノフ関数V(x)=xTPx、P>0が式(3.42)の閉ループ系に対して定義されれば、大域的漸近安定性を保証できる。今、LTIシステムのwからzまでのL2誘導ノルムは
‖z‖2<γ‖w‖2 (3.45)
と与えられる。これから最終的に、次式を満たす正定なリアプノフ関数V(x)=xTPxが存在する。
And given. In the end, there is a positive Lyapunov function V (x) = x T Px that satisfies the following equation.
H∞準最適制御問題は、Xcl>0に対して次の不等式の解が存在することと等価である。
さらに、LMI式(3.47)の解は次の不等式を満足する2つの対称行列RおよびSが存在することと等価である。
ここで、NRおよびNSはそれぞれ
および(C2,D12)の零空間を表す。 And the null space of (C 2 , D 12 ).
上記のH∞制御問題はLTIシステムにのみ有効であるが、LPVシステムにまで拡張することも可能である。LPVプラントを状態空間モデルで表すと
ここで、x、y、uはそれぞれ状態ベクトル、観測出力ベクトル、制御入力ベクトルを表す。pは時変プラントのパラメータベクトルであり、この結果、制御対象のプラントはpの関数となる。実際にpは速度や減衰、剛性といった時間依存の物理パラメータとなっており、次のように変動幅の最小値と最大値で与えられる。 Here, x, y, and u represent a state vector, an observation output vector, and a control input vector, respectively. p is a parameter vector of the time-varying plant, and as a result, the plant to be controlled is a function of p. Actually, p is a time-dependent physical parameter such as speed, damping, and rigidity, and is given by the minimum value and the maximum value of the fluctuation range as follows.
pmin≦pi(t)≦pmax (3.52)
p(t)が制御中に大きな変動を受けるとき、固定されたロバストLTI制御器で高性能な制御性能を得ることはできない。
p min ≦ p i (t) ≦ p max (3.52)
When p (t) undergoes large fluctuations during control, high performance control performance cannot be obtained with a fixed robust LTI controller.
もし、p(t)の実測値が制御中に実時間で得られるならば、制御器の動特性を実測値p(t)に依存して実時間で変化させることができる。このとき、制御器は次式で示される。
ここで、yは観測ベクトル、uは制御入力である。時変パラメータを正確に実測できれば、制御器をプラントダイナミクスの変動に追従させて連続的に調整することにより大域的安定性と良好な制御性能を実現できる。 Here, y is an observation vector and u is a control input. If the time-varying parameter can be measured accurately, global stability and good control performance can be realized by continuously adjusting the controller so as to follow changes in plant dynamics.
現在のパラメータ値p(t)の凸分解
を与えると、Ak(p)、Bk(p)、Ck(p)、Dk(p)の値は、
によって、パラメータボックスの端点での、
の値から導出される。言い換えれば、動作点p(t)でのコントローラの状態空間行列は、LTI端点コントローラ
の凸補間で得られる。これにより、時変パラメータの実測値p(t)によるコントローラ行列のスムーズなスケジューリングが行える。 Is obtained by convex interpolation. As a result, the controller matrix can be smoothly scheduled based on the actual measurement value p (t) of the time-varying parameter.
今、LPVプラントの状態空間表現を一般的な表現で考える。
行列A(・)、B(・)、C(・)、D(・)は変動パラメータpの関数である。また、B2、C2、D12、D21行列はpの影響を受けない。 The matrices A (•), B (•), C (•), D (•) are functions of the variation parameter p. The B 2 , C 2 , D 12 , and D 21 matrices are not affected by p.
コントローラに対して、図10の相互接続に関するシンセシス問題を考える。LPVプラントに対するH∞制御問題の解は、次式のようにLTIプラントと同じ形をしている。
ここで、Ai、B1i、C1i、D11iはポリトープ形パラメータp=PiでのA(p)、B1(p)、C1(p)、D11(p)のパラメータ値である。不等式(3.57)〜(3.59)は凸最適化アルゴリズムを使ったツールボックスで解くことができる。行列RとSから得られた制御器行列Ωの構造も同じ凸プログラムで得られる。 Here, A i , B 1i , C 1i , and D 11i are parameter values of A (p), B 1 (p), C 1 (p), and D 11 (p) in the polytope parameter p = P i. is there. Inequalities (3.57) to (3.59) can be solved with a toolbox using a convex optimization algorithm. The structure of the controller matrix Ω obtained from the matrices R and S can also be obtained by the same convex program.
4.モデリング
4.1 ジャイロモーメント
ジャイロモーメントとは、高速回転円板が傾き運動するときに発生する作用であり、円板の傾きと直角方向に発生するモーメントのことである。ジャイロモーメントは以下の式により求められる。
この効果により、静止時には1つである固有振動数が前向き振れ回りモードと後向き振れ回りモードに分かれ、ジャイロ効果の大小によって変化幅が決まるという性質がある。 Due to this effect, the natural frequency, which is one when stationary, is divided into a forward swing mode and a backward swing mode, and the variation width is determined by the magnitude of the gyro effect.
ジャイロ効果により、ロータは磁気軸受にとって回転数に伴って振動特性が変化するとともにX−Y方向が連成する制御対象になるので、磁気軸受の制御特性を決める上で大きな障害となる。したがって、回転周波数に対してロータの振動特性がどのように変化するかを、予め精度良く求めておくことが必要である。 Due to the gyro effect, the rotor becomes a controlled object in which the vibration characteristics change with the rotation speed and the XY directions are coupled to each other for the magnetic bearing, which is a major obstacle in determining the control characteristics of the magnetic bearing. Therefore, it is necessary to accurately obtain in advance how the vibration characteristics of the rotor change with respect to the rotation frequency.
極軌跡の虚部、すなわち固有振動数の変化を縦軸に、回転周波数を横軸にとった固有振動数線図を図11に示す。式(4.1)から回転数と傾き角速度が増加するほどジャイロモーメントは増加することより、2次モードの方がジャイロモーメントが大きく、前章での実験におけるタッチダウンの原因であると考えられる。したがって、剛性2次モードと運搬線の交点での危険速度を越えるためには、ジャイロ効果を考慮した設計が必要である。 FIG. 11 shows a natural frequency diagram in which the imaginary part of the polar locus, that is, the change in natural frequency is on the vertical axis and the rotation frequency is on the horizontal axis. From equation (4.1), the gyro moment increases as the rotation speed and the tilt angular velocity increase, and the gyro moment is larger in the secondary mode, which is considered to be the cause of touchdown in the experiment in the previous chapter. Therefore, in order to exceed the critical speed at the intersection of the rigid secondary mode and the transport line, it is necessary to design in consideration of the gyro effect.
4.2 ジャイロ効果を考慮したモデリング
本研究が対象とする磁気軸受は、図12のような5軸制御型フライホイールであり、そのパラメータを表4.1に示す。アキシアル方向はPID制御がなされているので、ラジアル方向についてのみモデル化を考える。
図12、図13の図中の記号は、
G:ロータの重心位置
θx,θy:各軸周りの回転角度
Lu,Ll:上部、下部の電磁石までの距離
L1,L2:上部、下部のセンサまでの距離
i1〜i8:各電磁石における制御電流
xg,xu,xl:X−Z平面におけるロータ重心、上部電磁石、下部電磁石位置での変位
を示す。ジャイロ効果
G: Rotor center-of-gravity position θ x , θ y : Rotational angle L u , L l around each axis: Distance to upper and lower electromagnets L 1 , L 2 : Distance to upper and lower sensors i 1 to i 8 : Control current x g , x u , x l in each electromagnet: displacement at the rotor center of gravity, upper electromagnet, and lower electromagnet position in the XZ plane. Gyro effect
を考慮したロータの重心に対する並進方向、回転方向の運動方程式は式(4.2)となる。
出力yは
であるので、状態変数、入力、出力を
とすると、その状態空間実現は
である。 It is.
5.制御系設計と性能検証1
5.1 H∞制御器設計
設計において、一般化プラントは図14の修正混合感度問題を使用した。外乱抑圧特性を得るために仮想外乱をPの直前に導入し、目標値追従特性を得るために仮想外乱をPの直後に導入している。なお、εは仮想外乱を観測ノイズとみなすためのものでもあり、標準H∞制御問題の可解条件を満たすためのものである。重み関数は上側、下側の質量の割合が異なるため、別々に設計した。設計に用いた重み関数の周波数応答を図14(a)に示す。また、ランク条件を満たすために導入したε値を0.04とした。γ値は0.89である。
5. Control system design and
5.1 H∞ Controller Design In the design, the generalized plant used the modified mixed sensitivity problem of FIG. A virtual disturbance is introduced immediately before P in order to obtain a disturbance suppression characteristic, and a virtual disturbance is introduced immediately after P in order to obtain a target value tracking characteristic. Note that ε is also used to regard the virtual disturbance as observation noise, and is for satisfying the solvability condition of the standard H∞ control problem. The weight function was designed separately because the upper and lower mass proportions were different. The frequency response of the weight function used for the design is shown in FIG. The ε value introduced to satisfy the rank condition was set to 0.04. The γ value is 0.89.
Wtはロバスト性に対する周波数重み関数であり、高周波数領域での制御入力の影響を低減する。また、Wsは制御性能に対する周波数重み関数であり、ロータを原点に固定することを制御指針として低周波領域でサーボ系の形になるように設計した。Y軸の上部、下部それぞれに対する周波数重み関数はX軸と等しいものを使用している。 W t is a frequency weighting function for robustness, and reduces the influence of the control input in the high frequency region. Ws is a frequency weighting function for control performance, and designed to be in the form of a servo system in the low frequency region with the control guideline of fixing the rotor to the origin. The frequency weighting functions for the upper and lower portions of the Y axis are the same as those for the X axis.
前節で求めた補償器は、制御入力が吸引力であるため、そのまま実験機に適用することはできない。つまり、切換条件を基に力制御入力から制御電流への変換が必要である。本研究では、この切換を力制御入力の正負のみにより行う。つまり、力制御入力の正負により2対の電磁石の切換を行い、制御器が求めた吸引力fを再現する電流を逆算する。上側、下側はそれぞれ独立に切換を考えるので、上部側について詳細に述べる。 The compensator obtained in the previous section cannot be applied to an experimental machine as it is because the control input is a suction force. That is, conversion from force control input to control current is required based on the switching conditions. In this study, this switching is performed only by positive / negative of the force control input. That is, the two pairs of electromagnets are switched depending on whether the force control input is positive or negative, and the current that reproduces the attractive force f obtained by the controller is calculated backward. Since switching on the upper side and the lower side is considered independently, the upper side will be described in detail.
1)Fxu>0のとき
図15(c)において、電磁石1が吸引すればよい。そのときの力と電流i1の関係式をi3=0として
から逆算すると、次式となる。
2)Fxu<0のとき
図15(d)において、電磁石3が吸引すればよい。そのときの力を電流i3の関係式をi1=0として
から逆算すると、次式となる。
下側についても同様に
1)Fxl>0のとき
1) When F xl > 0
2)Fxl<0のとき
この切換条件を用いて力制御入力を各電磁石の制御電流に変換することで制御を行う。Y−Z平面は、X−Z平面と同様であり、以下のとおりである。 Control is performed by converting the force control input into the control current of each electromagnet using this switching condition. The YZ plane is the same as the XZ plane and is as follows.
上側
1)Fyu>0のとき
1) When F yu > 0
2)Fyu<0のとき
下側
1)Fyl>0のとき
1) When F yl > 0
2)Fyl<0のとき
5.2 制御電流の切換法
ゼロパワー切換制御の基本的な方法は、フライホイールシステムのロータ部を剛体とみなし、ロータが1つの電磁石に接近するとき、接近した電磁石の制御電流を零にして、反対側にのみ制御電流を供給して、ロータが完全に平衡点になれば、一切の電流(パワー)を流さないということである。さらに、制御器を設計するとき、制御入力は対向した電磁石間の吸引力として仮定する。求めた吸引力から切換法によって、実際の制御電流を求める。
5.2 Control Current Switching Method The basic method of zero power switching control is to consider the rotor part of the flywheel system as a rigid body, and when the rotor approaches one electromagnet, the control current of the approaching electromagnet is set to zero. When the control current is supplied only to the opposite side and the rotor is completely at the equilibrium point, no current (power) flows. Further, when designing the controller, the control input is assumed as the attractive force between the opposing electromagnets. The actual control current is obtained from the obtained suction force by a switching method.
上側磁気軸受、下側磁気軸受の2対の電磁石が発生する磁気吸引力の合力をそれぞれFxu、Fxlとする。電磁石の磁気吸引力の合力は非線形性を有しているため、次式のように吸引力を制御入力と考えることで線形な制御対象として扱う。
ここで
k:吸引力定数
i:入力電流
xg:ノミナルエアギャップ
x:ロータ変位
である。式(5.2)をみると、磁気吸引力は入力電流の二乗に比例し、電磁石とロータの距離の二乗に反比例するという形になっており、非常に強い非線形性を有している。従来の方法は、対向している両方の電磁石にバイアス電流を流すことによって、吸引力と電流の関係は小さな変位の領域で線形化できる。まず、入力電流と吸引力の関係は図16(a)(b)の点線のようになっている。ただ、F1、F2は対向している電磁石の吸引力特性である。両方の電磁石にバイアス電流を流しておくと、図16(c)の実線のように電磁石の吸引力の差が線形な形になる。
Here, k: attractive force constant i: input current x g : nominal air gap x: rotor displacement. Looking at equation (5.2), the magnetic attractive force is proportional to the square of the input current and inversely proportional to the square of the distance between the electromagnet and the rotor, and has a very strong nonlinearity. In the conventional method, by applying a bias current to both opposing electromagnets, the relationship between the attractive force and the current can be linearized in a small displacement region. First, the relationship between the input current and the attractive force is as shown by the dotted lines in FIGS. However, F 1 and F 2 are the attractive force characteristics of the opposing electromagnets. When a bias current is allowed to flow through both electromagnets, the difference between the attraction forces of the electromagnets becomes linear as shown by the solid line in FIG.
この線形化による線形制御方法を適用し、コントローラを設計することが容易となる。しかし、ロータが安定に浮上しても、常時バイアス電流を流し続けなければならない。バイアス電流による渦電流損失は無視できず、回転抵抗や発熱などの問題を引き起こし、消費電力が多くなるという短所がある。また、この線形化法はモデリングにおいては、一般的な平衡点近傍でテイラー展開の一次近似を行うため、平衡点近傍では所望の制御性能が得られるが、大変位のときに制御性能が劣化するという問題もある。 It becomes easy to design a controller by applying a linear control method based on this linearization. However, even if the rotor floats stably, it is necessary to keep a bias current flowing constantly. The eddy current loss due to the bias current cannot be ignored, causing problems such as rotational resistance and heat generation, resulting in increased power consumption. In addition, since this linearization method performs a first order approximation of Taylor expansion in the vicinity of a general equilibrium point in modeling, a desired control performance can be obtained in the vicinity of the equilibrium point, but the control performance deteriorates when there is a large displacement. There is also a problem.
5.3 シミュレーション
実験の前段階として、制御器の閉ループ安定性を検証するため、MATLAB Simulinkによるシミュレーションを行った。シミュレーションは図17のようにSimulinkにより構成した。より実験機システムに近づけるために、一度切換条件を基に力制御入力から制御電流への変換を行い、力制御入力に変換しなおしている。物理パラメータにより求めたモデルは制御入力を吸引力とみなしているため、制御電流から力制御入力に再度変換しなおす形となる。なお、制御電流は実際の実験と同様、1.5Aのリミッタを設けている。また、サンプリング周期は実際の実験と同様10kHzとし、補償器は双一次変換により離散化したものを用いた。X軸の上側に10μmのステップ目標値を0.01sから加えている。このときの初期値応答を図18に、各電磁石の制御電流を図19に示す。
5.3 Simulation As a preliminary step of the experiment, a simulation using MATLAB Lab Simulink was performed to verify the closed-loop stability of the controller. The simulation was configured by Simulink as shown in FIG. In order to make it closer to the experimental machine system, the force control input is converted to the control current once based on the switching condition and converted back to the force control input. Since the model obtained from the physical parameters regards the control input as an attractive force, it is converted again from the control current to the force control input. The control current is provided with a 1.5 A limiter as in the actual experiment. The sampling period was set to 10 kHz as in the actual experiment, and the compensator was discretized by bilinear transformation. A step target value of 10 μm is added to the upper side of the X axis from 0.01 s. The initial value response at this time is shown in FIG. 18, and the control current of each electromagnet is shown in FIG.
図18(a)において、オーバーシュートは少なく、整定時間も早く、良好な結果が得られていることがわかる。また、図19から、制御入力が正負に変動する際に、電磁石の電流もしっかり切り換わっている。さらに、整定後は電流は流れておらず、ゼロパワー制御が行われていることがわかり、良好な結果となっている。 In FIG. 18A, it can be seen that the overshoot is small, the settling time is fast, and good results are obtained. Moreover, from FIG. 19, when the control input fluctuates positively and negatively, the current of the electromagnet is also switched firmly. Furthermore, no current flows after settling, and it can be seen that zero power control is being performed, which is a good result.
5.4 実験
シミュレーションで用いた制御器を実際の磁気軸受フライホイールに適用し、93Hz(5580rpm)までの回転実験を行った。実験システムは図20のように構成し、位置情報をセンサで取得し、A/Dボードを通してDSPに取り込み、力制御入力を計算した後、切換条件を基に各電磁石の制御電流に変換し、D/Aボードを通して電磁石に出力される仕組みとなっている。サンプリング時間は0.1msとする。また、MATLABからDSPへはリアルタイムで情報を取得できるようになっており、図21のようにfigureにて各センサ情報を画面に表示することが可能である。インバータにはMyWay技研製のスピードコントローラを用いており、512rpm/sの一定加速度を加えている。
5.4 Experiment The controller used in the simulation was applied to an actual magnetic bearing flywheel, and a rotation experiment up to 93 Hz (5580 rpm) was performed. The experimental system is configured as shown in FIG. 20, the position information is acquired by the sensor, taken into the DSP through the A / D board, the force control input is calculated, and then converted into the control current of each electromagnet based on the switching condition. It is structured to output to the electromagnet through the D / A board. Sampling time is 0.1 ms. Further, information can be acquired from the MATLAB to the DSP in real time, and each sensor information can be displayed on the screen by the figure as shown in FIG. A speed controller manufactured by MyWay Giken is used for the inverter, and a constant acceleration of 512 rpm / s is applied.
回転周波数0〜90Hzでの上側、下側におけるロータの軌跡および各電磁石の制御電流を図23〜図42に示す。また、上側の1対の電磁石の制御電流を拡大したものを図22に示す。 FIGS. 23 to 42 show the locus of the rotor on the upper side and the lower side at the rotation frequency of 0 to 90 Hz and the control current of each electromagnet. FIG. 22 shows an enlarged control current of the upper pair of electromagnets.
図22より、制御電流においては、制御電流は切換が行われていることが確認できる。また、回転周波数に同期した半波波が制御電流に見られることがわかった。これは回転することで一種の調和外乱が印加されたような状態となり、補償器がそれを安定化しようと回転周波数に同期した制御電流を供給するためと考えられる。 From FIG. 22, it can be confirmed that the control current is switched in the control current. It was also found that a half-wave wave synchronized with the rotation frequency was seen in the control current. This is presumably because a kind of harmonic disturbance is applied by rotation, and the compensator supplies a control current synchronized with the rotation frequency in order to stabilize it.
下側のロータの軌道は上側より大きい。これは、重心から下側磁気軸受までの距離が上側に比べ約1.8倍長いため、そしてアキシアル方向のPID補償器との干渉のためと考えられる。 The track of the lower rotor is larger than the upper track. This is presumably because the distance from the center of gravity to the lower magnetic bearing is about 1.8 times longer than the upper side, and because of interference with the axial PID compensator.
浮上時には安定していたシステムが回転周波数93Hzで下側の振れ回りを大きくし、タッチダウンする結果となった。また、このモデルにおいては、回転周波数60Hz、80Hz付近で花びらのようなロータの軌跡が確認できる。モデルの剛性モード2次の前向き、後向き振れ回りが存在する。この結果から、モデルに連成を考慮しても固定制御器のロバスト性だけでは、ジャイロ効果による影響を低減する効果は少ないと考えられる。 The system, which was stable when ascending, increased the lower side swing at a rotation frequency of 93 Hz, resulting in a touchdown. In this model, the locus of the rotor like a petal can be confirmed at rotation frequencies of 60 Hz and 80 Hz. There are second-order forward and backward runouts in the model stiffness mode. From this result, even if coupling is considered in the model, it is considered that the effect of reducing the effect of the gyro effect is small only by the robustness of the fixed controller.
6.制御系設計と性能検証2
6.1 線形パラメータ依存モデル
実験では回転周波数80Hz近傍でジャイロ効果が著しく発生することから、回転周波数によりシステムが変動する線形パラメータ依存モデル(LPV)であると考えられる。MATLAB LMI control toolboxを用いてGS制御器を設計するにあたり、線形パラメータによって変動するシステム行列Aを以下のように時変システムと線形時不変システム(LTI)に分解して考える。
6.1 Linear Parameter Dependent Model In the experiment, the gyro effect is remarkably generated near the rotational frequency of 80 Hz. Therefore, it is considered that the system is a linear parameter dependent model (LPV) in which the system varies depending on the rotational frequency. In designing a GS controller using the MATLAB LMI control toolbox, a system matrix A that varies according to linear parameters is decomposed into a time-varying system and a linear time-invariant system (LTI) as follows.
ここで、A22は、ジャイロモーメントの項を含むパラメータ変動行列である。回転周波数をスケジューリングパラメータとし、次の範囲で変化するものとする。 Here, A22 is a parameter variation matrix including a gyro moment term. It is assumed that the rotation frequency is a scheduling parameter and changes in the following range.
p=f p∈[0.1,100] (6.4)
6.2 ゲインスケジュール設計器設計
求めたLPVモデルに対してLMI制御理論により制御系設計を行う。スケジューリングパラメータに対応する最適な制御器は、回転周波数0Hzと100Hzに対応するLTI端点制御器(Kmax,Kmin)を式(6.5)により凸補間することで求められる。
6.2 Gain schedule design design Design the control system for the obtained LPV model using LMI control theory. The optimum controller corresponding to the scheduling parameter is obtained by convex interpolation of the LTI end point controllers (K max , K min ) corresponding to the rotation frequencies of 0 Hz and 100 Hz by the equation (6.5).
GS制御器の周波数応答を図44に示す。モデルは4入力4出力で、さらに連成を考慮したことにより16個の周波数応答が存在するが、ここでは例として、X軸上側からの入力に対する周波数応答が示されている。また、設計の際に用いた重み関数を図43に示す。ロータの重心が磁気軸受の上側に存在し、バランスをとるために式(6.6)、式(6.7)のように、上側、下側で別の重みを用いている。
図44(a)、図44(b)より、Y軸の出力に対するコントローラのゲインが大きくなっていることが確認できる。これは、回転周波数が増加するとともに、連成方向へ影響に対する制御入力が大きくなることを意味する。 From FIG. 44 (a) and FIG. 44 (b), it can be confirmed that the gain of the controller with respect to the Y-axis output is increased. This means that as the rotational frequency increases, the control input for the influence in the coupling direction increases.
6.3 シミュレーション
6.3.1 H∞制御器との比較
GS制御器の閉ループ安定性を検証するため、ジャイロ効果を考慮したモデルでシミュレーションを行った。初期値応答にてH∞制御器とGS制御器の性能比較を行った。より実験機システムに近づけるために、一度切換条件を基に力制御入力から制御電流へと変換し、再び力制御入力に変換しなおしている。
6.3 Simulation 6.3.1 Comparison with H∞ controller In order to verify the closed-loop stability of the GS controller, a simulation was performed with a model that takes into account the gyro effect. The performance comparison of the H∞ controller and the GS controller was performed with the initial value response. In order to make it closer to the experimental machine system, the force control input is once converted to the control current based on the switching condition, and then converted again to the force control input.
なお、制御電流は実験と同様に1.5Aのリミッタを設けており、サンプリング周波数は実際の実験と同じ10kHzで行い、補償器は双一次変換により離散化したものを用いた。回転周波数はパラメータの変動に対する応答をとるため、浮上時の0Hzおよびジャイロ効果が著しく発生する80Hz(4800rpm)とした。浮上時0Hzでの初期値応答による出力変位の比較を図45に、そのときの制御入力を図46に示す。また、ジャイロ効果が著しく発生する80Hz(4800rpm)での初期値応答による出力変位を図47に、そのときの制御入力を図48に示す。シミュレーション条件として、X軸の上側に10μmのステップ目標値を0.01sから加えている。 The control current was provided with a 1.5 A limiter as in the experiment, the sampling frequency was 10 kHz as in the actual experiment, and the compensator was discretized by bilinear transformation. The rotational frequency is set to 0 Hz during ascent and 80 Hz (4800 rpm) at which the gyro effect is remarkably generated in order to take a response to the variation of the parameters. FIG. 45 shows a comparison of output displacements based on an initial value response at 0 Hz when ascending, and FIG. 46 shows control inputs at that time. Further, FIG. 47 shows the output displacement due to the initial value response at 80 Hz (4800 rpm) at which the gyro effect is remarkably generated, and FIG. 48 shows the control input at that time. As a simulation condition, a step target value of 10 μm is added from 0.01 s above the X axis.
図45、図47より、H∞制御器、GS制御器ともに安定化しているが、収束の速さが異なる結果となった。とくにGS制御器では、ジャイロ効果を考慮した影響により、Y軸方向の下側の応答では振動が少なく良好な結果を得ることができた。また、図45においても、H∞制御器に比べ素早く目標値に追従する良好な結果が得られた。ロバスト性を必要とするH∞制御器に比べ、GS制御器の端点コントローラ(Kmin)は0Hzで最適な設計がなされているためだと考えられる。 45 and 47, both the H∞ controller and the GS controller are stabilized, but the convergence speed is different. In particular, in the GS controller, due to the effect of taking the gyro effect into consideration, the response on the lower side in the Y-axis direction has little vibration and good results can be obtained. Also in FIG. 45, a good result of following the target value quickly was obtained as compared with the H∞ controller. This is probably because the end point controller (K min ) of the GS controller is optimally designed at 0 Hz compared to the H∞ controller that requires robustness.
6.3.2 テーブルを用いたGS制御
実験システムへの実装を考えたとき、高周波領域を制御するために非常に短いサンプリング時間としていることと、4入力4出力システムであることに加え、剛性2次モードを制御する必要があるためモデルの低次元化を行うことができず、次数の大きい制御器を用いている関係から、サンプリングごとの離散化は計算処理が遅れるという問題がある。そこで、0Hzから100Hzまで10Hz間隔で11個の制御器を予め凸補間により求めておき、オフラインでそれぞれを離散化した制御器をテーブルとして用いて、スケジューリングパラメータによって切り換えるという方法を提案する(図139参照)。実装する制御器の数はDSPメモリ容量の関係より選択した。
6.3.2 GS control using a table When considering implementation in an experimental system, in addition to being a very short sampling time to control the high-frequency region, and being a 4-input 4-output system, rigidity Since it is necessary to control the secondary mode, the model cannot be reduced in dimension, and there is a problem that the calculation process is delayed in the discretization for each sampling because of the use of a controller having a large degree. Therefore, a method is proposed in which eleven controllers are obtained in advance from 0 Hz to 100 Hz at intervals of 10 Hz by convex interpolation, and the controllers that are discretized offline are used as a table and switched according to scheduling parameters (FIG. 139). reference). The number of controllers to be mounted was selected based on the DSP memory capacity.
テーブルを用いることで、GS制御器の閉ループ安定性が損なわれないかを、初期応答により検証した。シミュレーション条件は前節と同じである。浮上時0Hzの入出力を図49、図50に示す。また、制御器の切換時の応答を比較するため、70Hz(4200rpm)と80Hz(4800rpm)でそれぞれ凸補間して求めた制御器を用意しておき、0.1s地点で制御器の切換を行ったときの入出力を図51、図52に示す。ジャイロの影響が強く出る80Hz付近では若干の違いがあったが、安定性に問題がなく、良好な結果を得ることができた。 It was verified by the initial response whether the closed loop stability of the GS controller was impaired by using the table. The simulation conditions are the same as in the previous section. 49 and 50 show input and output at 0 Hz when ascending. In addition, in order to compare the response at the time of switching the controller, a controller obtained by convex interpolation at 70 Hz (4200 rpm) and 80 Hz (4800 rpm) is prepared, and the controller is switched at the 0.1 s point. The input / output at this time is shown in FIGS. Although there was a slight difference in the vicinity of 80 Hz where the influence of the gyroscope was strong, there was no problem in stability and good results could be obtained.
6.4 実験
テーブルを用いたGS制御器を用いて回転実験を行った。サンプリング周波数などの条件は、H∞制御器と同様とする。回転周波数0〜90Hz(5400rpm)での上側、下側におけるロータの軌跡および制御入力を図54〜図71に示す。
6.4 Experiment A rotation experiment was performed using a GS controller using a table. Conditions such as the sampling frequency are the same as those of the H∞ controller. The rotor trajectories and control inputs on the upper and lower sides at a rotation frequency of 0 to 90 Hz (5400 rpm) are shown in FIGS.
制御入力は、調和外乱に同期した半波が崩れたような波形となった。これは、回転周波数に依存する同期信号だけでなく、連成方向に対する入力が含まれるためであると考えられる。 The control input has a waveform in which the half-wave synchronized with the harmonic disturbance is broken. This is considered to be because not only a synchronization signal depending on the rotation frequency but also an input for the coupling direction is included.
浮上時だけではなく、回転実験においてもロータは原点付近に固定されており、ジャイロモーメントによる影響を十分に制御できていることを実験にて確認できた。また、剛性モードおよび弾性モードの後向き振れ回り運動による花びらのような軌跡が発生していない。以上のことから、ジャイロ効果による影響に対してGS制御器の有効性が示された。 It was confirmed by experiments that the rotor was fixed near the origin not only during ascent but also in the rotation experiment, and that the effect of the gyro moment could be controlled sufficiently. Also, no petal-like trajectory is generated due to the backward swing motion of the rigid mode and the elastic mode. From the above, the effectiveness of the GS controller was shown against the influence of the gyro effect.
しかし、回転周波数95Hz(5700rpm)でH∞制御器と同様にタッチダウンする結果となったことから、ジャイロ効果以外にも制御性能を劣化させる原因があると考えられる。 However, since the result of touchdown is the same as that of the H∞ controller at a rotation frequency of 95 Hz (5700 rpm), it is considered that there is a cause of deterioration in control performance in addition to the gyro effect.
6.5 固有値解析
実験結果を考察するため、実験に用いたGS制御器について、パラメータ変動に対する閉ループ系固有値解析を行った。回転周波数を0Hzから100Hzまで5Hzずつ増加させたときのH∞制御器に対する複素平面を図53(a)に、ジャイロ効果を考慮したGS制御器に対する複素平面を図53(b)に示す。
6.5 Eigenvalue analysis In order to examine the experimental results, a closed-loop system eigenvalue analysis was performed for parameter fluctuations for the GS controller used in the experiment. FIG. 53 (a) shows the complex plane for the H∞ controller when the rotation frequency is increased from 0 Hz to 100 Hz by 5 Hz, and FIG. 53 (b) shows the complex plane for the GS controller considering the gyro effect.
GS制御器、H∞制御器はともに複素平面の左半面に位置しており、システムは安定である。しかし、プラントのパラメータ変動により、GS制御器の極がほぼ固定されているのに対して、いくつかの固有値が右平面に移動していることが確認される。図53(a)と図53(b)を比較すると、GS制御器がパラメータ変動に対しての安定性を補償していることを確認できる。しかし、回転周波数を200Hzにまで増加しても相変わらずシステムは安定しているため、実験において制御性能を劣化させている原因をモデル化する必要がある。 Both the GS controller and the H∞ controller are located on the left half of the complex plane, and the system is stable. However, it is confirmed that some eigenvalues have moved to the right plane, whereas the poles of the GS controller are almost fixed due to plant parameter variations. Comparing FIG. 53 (a) and FIG. 53 (b), it can be confirmed that the GS controller compensates the stability against the parameter fluctuation. However, since the system remains stable even when the rotational frequency is increased to 200 Hz, it is necessary to model the cause of the deterioration of the control performance in the experiment.
7.弾性モデルによる検証
7.1 閉ループ系安定性の考察
剛性モデルでは、ジャイロ効果を無視した制御器を用いても、考慮した制御器を用いても、閉ループはともに安定であった。しかし、回転実験では、100Hz付近で不安定化している。この不一致の問題に対して、弾性曲げモードも考慮して考察する。弾性モデルの導出は有限要素法によって行う。フライホイールを集中質量として、ロータを図72のように8要素に分割する。要素2と3、要素7と8の間に電磁石が配置されている。ここで、減衰と不釣合い振動は考慮しないものとする。図72のモデリングについて、ジャイロ効果を考慮したロータの運動方程式は次式となる。
Mは質量行列、Gはジャイロ反対称行列、Kは剛性行列、Uは制御入力ベクトル、Tは電磁石の設置場所を表す行列(M,G,K∈R36×36,TinR36×4)、qは状態ベクトルである(qinR36×1)。まず、フリーフリーロータに対して、固有振動数と軸回転数の関係を図73で示す。曲げ一次モードの前向き振れ回りモードと後向き振れ回りモードは回転後大きな分岐をすることがわかった。このことから、曲げ一次弾性モードの後向き振れ回りモードは、ジャイロ効果の影響を強く受けて100Hz付近まで下がってきている。この結果、運搬線と後向き振れ回りモードの交差周波数は110Hz付近で、ロータが100Hzを越えて回転すると、後向き曲げ共振点に接近していることがわかった。 M is a mass matrix, G is a gyro antisymmetric matrix, K is a rigidity matrix, U is a control input vector, T is a matrix (M, G, KεR 36 × 36 , TinR 36 × 4 ) representing an installation location of an electromagnet, q is a state vector (qinR 36 × 1 ). First, FIG. 73 shows the relationship between the natural frequency and the shaft rotational speed for the free-free rotor. It was found that the forward swing mode and the backward swing mode of the bending primary mode branch greatly after rotation. For this reason, the backward swing mode of the bending primary elastic mode is strongly influenced by the gyro effect and is lowered to around 100 Hz. As a result, it was found that the crossing frequency between the transport line and the backward swing mode is around 110 Hz, and the rotor is approaching the backward bending resonance point when the rotor rotates beyond 100 Hz.
7.2 モード分離と低次元化
100Hzを越えた高速回転の実現には、FEMモデルの剛性モードと曲げ一次モードのジャイロ効果による影響が重要となる。ここで、式(7.1)には反対称のジャイロ行列Gが存在するので、標準形のモード解析法を簡単に使うことができない。モード分離を行うため、新しいベクトル
を導入すると次式となる。
式(7.2)の固有値問題を次式により考察する。
式(7.4)は標準形式に似ているが、KとGの特性からG*は相変わらず反対称行列になっている。しかし、このような固有値問題の解はn組の共役純虚数
とそれに対応しているn組の共役複素数の固有ベクトル
を持っていることがわかっている。そして、s=iwとz=u+iuを式(7.4)に代入し、実部と虚部を分けることにする。最後に、uとvに関連する式は次のような2つの固有値問題形式が得られる。
ここで、K*は正定対称行列である。式(7.5)はn組の重要なλrを持ち、urとvrは同じλrに対応していることがわかる。次に、M*に対してコレスキー分解を行うと(M*=RR−T)、次の標準固有値問題になる。
ここで、Φは対称正定行列である。λrに対応している固有ベクトルはP=[ur vr]となる。座標変換式z=R−TPξを設定し、式(7.2)に代入すると、モード分離した方程式(7.7)が得られる。ξ=|ηr ζr|はモード座標である。Θは式(7.7)で表すように、ブロック対角行列となる。
式(7.8)に基づいて、剛性モードと曲げ一次弾性バックモードを含むモデルの低次元化は次式となる。
ただし、Ar∈R10×10,Br∈R10×4,Cr∈R4×10,Dr∈R4×4,Uは制御入力ベクトル(U∈R4×1)である。低次元化した前後のモードのボード線図を図74で示す。 Here, A r εR 10 × 10 , B r εR 10 × 4 , C r εR 4 × 10 , D r εR 4 × 4 , and U are control input vectors (UεR 4 × 1 ). A Bode diagram of the mode before and after the reduction in dimension is shown in FIG.
7.3 シミュレーション
前節で作成した剛性モードと曲げ一次弾性バックモードを含む低次元化モデルが、実験と一致するモデルであるかを検証する。制御器は剛性モードのみを考慮して設計したGS制御器を用いた。サンプリング周波数は10kHzとし、X軸上側に10μmのステップ目標値を与えたときの初期値応答シミュレーションと実験の比較を図75に示す。
7.3 Simulation Verify whether the reduced-order model including the stiffness mode and the bending primary elastic back mode created in the previous section is consistent with the experiment. As the controller, a GS controller designed in consideration of only the rigid mode was used. FIG. 75 shows a comparison between an initial value response simulation and an experiment when the sampling frequency is 10 kHz and a step target value of 10 μm is given on the upper side of the X axis.
弾性モデルを用いることで、実験結果と同じ高周波がシミュレーションで励起されるようになった。浮上時における弾性モードの固有振動数と一致することから、低次元化モデルに曲げ一次弾性バックモードが含まれていることが初期値応答からも確認できる。しかし、低周波成分や収束時間が大幅に異なり、実験システムよりも安定化しやすいモデルであるといえる。この原因がインダクタンスや渦電流損失などアクチュエータの諸元によるものと考え、図76に示すようにGS制御器によって求められた制御電流にαという係数を掛ける。αを加えた閉ループでのシミュレーションを図77に示す。低周波成分は完全に一致はしていないが、オーバーシュートの振幅や立ち上がり時の振幅が実験結果に近づく有効な結果となった。なお、αの値は試行錯誤的に0.22とした。 By using the elastic model, the same high frequency as the experimental result was excited in the simulation. Since it coincides with the natural frequency of the elastic mode at the time of ascent, it can be confirmed from the initial value response that the reduced-order model includes the bending primary elastic back mode. However, it can be said that the low frequency component and the convergence time are significantly different, and the model is easier to stabilize than the experimental system. The cause is considered to be due to the specifications of the actuator such as inductance and eddy current loss, and the control current obtained by the GS controller is multiplied by a coefficient α as shown in FIG. FIG. 77 shows a closed-loop simulation with α added. Although the low-frequency components do not match completely, the overshoot amplitude and the amplitude at the time of rise are effective results that approach the experimental results. The value of α was set to 0.22 by trial and error.
7.4 固有値解析
係数αを加えたときと、加えないときの安定性の比較を、図78に示す閉ループの固有値解析にて行った。図78によりαを加えないときは固有値が実軸からかなり離れた地点に存在するため、安定であった。しかし、実験システムは安定ではあるものの、極は実軸付近に存在する。この現象は、シミュレーションと実験の不一致の原因の1つであったと考えられる。αを加えることで、極は右側に移動し、実験システムに近い極配置となった。また、前節のシミュレーション結果では、剛性2次モードは制御されていて、時系列応答には励起されていなかった。これについても、係数αをっ加えたときの極解析では剛性2次モードの極が安定化され、実験結果と一致する。周波数を実験でタッチダウンする100Hzとし、X軸上側に10μmのステップ目標値を与えたときの初期値応答を図79に示す。これまでのシミュレーションで100Hzにおいても安定していたGS制御器を用いたにもかかわらず、発散する結果となった。以上のことから、係数αを加えることで、低次元化弾性モデルは、実システムに近い応答を示すことが確認できる。
7.4 Eigenvalue Analysis Stability comparison between when the coefficient α was added and when the coefficient α was not added was performed by closed-loop eigenvalue analysis shown in FIG. As shown in FIG. 78, when α is not added, the eigenvalue exists at a point far from the real axis, and is stable. However, although the experimental system is stable, the pole exists near the real axis. This phenomenon is considered to be one of the causes of the mismatch between simulation and experiment. By adding α, the pole moved to the right, and the pole arrangement was close to the experimental system. In the simulation results in the previous section, the rigid secondary mode is controlled and not excited by the time series response. Again, in the pole analysis when the coefficient α is added, the pole of the rigid secondary mode is stabilized and agrees with the experimental result. FIG. 79 shows an initial value response when the frequency is set to 100 Hz to be touched down in the experiment and a step target value of 10 μm is given on the upper side of the X axis. Despite the use of a GS controller that was stable even at 100 Hz in the previous simulations, the results were divergent. From the above, it can be confirmed that by adding the coefficient α, the reduced-order elastic model shows a response close to that of the actual system.
8.結論
本論文では、磁気軸受系型電力貯蔵フライホイールの制御に関する研究を行った。慣性力を増加させることを目的にフライホイールがロータに取り付けられているために、ジャイロ効果による前向き振れ回り運動や後向き振れ回り運動の発生、およびそれらの固有振動の変化が高速回転を妨げている。
8). Conclusion In this paper, we studied the control of a magnetic bearing type power storage flywheel. Because the flywheel is attached to the rotor for the purpose of increasing the inertial force, forward and backward whirling movements due to the gyro effect and changes in their natural vibrations prevent high-speed rotation. .
そこで、本研究では、まず、ジャイロ効果の特性を考慮したモデリングを行った。プラントのA行列に回転周波数ωを定数として考慮し、H∞制御器を設計した。浮上時には安定していたシステムが回転周波数93Hzで下側の振れ回りを大きくし、タッチダウンする結果となった。下側が先にタッチダウンした原因は、重心から下側磁気軸受までの距離が上側に比べ約1.8倍長いため、下側のロータの軌道は上側より大きくなるためである。また、回転周波数60Hz、80Hz付近で、ロータは花びらのような軌跡を描いた。モデルの剛性モード2次の前向き、後向き振れ回りが存在することが確認された。この結果から、モデルに連成を考慮した固定制御器のロバスト性だけでは、ジャイロ効果による影響を低減する効果は少ないと考えられる。 Therefore, in this study, we first modeled the characteristics of the gyro effect. The H∞ controller was designed considering the rotational frequency ω as a constant in the A matrix of the plant. The system, which was stable when ascending, increased the lower side swing at a rotation frequency of 93 Hz, resulting in a touchdown. The reason why the lower side is touched down first is that the distance from the center of gravity to the lower magnetic bearing is about 1.8 times longer than the upper side, so that the track of the lower rotor is larger than the upper side. Moreover, the rotor drew a locus like a petal at rotation frequencies of 60 Hz and 80 Hz. It was confirmed that there were second-order forward and backward runouts in the stiffness mode of the model. From this result, it is considered that only the robustness of the fixed controller in consideration of coupling with the model has little effect of reducing the influence of the gyro effect.
次に、回転周波数によりシステムが変動する線形パラメータ依存モデル(LPV)であると考え、GS制御器を設計し、シミュレーションを行った。浮上時では、H∞制御器、GS制御器ともに安定化しているが、収束の速さが異なる結果となった。とくに、GS制御器では、ジャイロ効果を考慮した影響により、Y軸方向の下側の応答においても振動が少なく、素早く目標値に追従する良好な結果が得られた。ロバスト性を必要とするH∞制御器に比べ、GS制御器の端点コントローラ(Kmin)は0Hzで最適な設計がなされているためだと考えられる。 Next, considering a linear parameter dependent model (LPV) in which the system fluctuates depending on the rotational frequency, a GS controller was designed and simulated. At the time of ascent, both the H∞ controller and the GS controller were stabilized, but the convergence speed was different. In particular, in the GS controller, due to the effect of taking the gyro effect into account, there was little vibration in the lower response in the Y-axis direction, and a good result that quickly followed the target value was obtained. This is probably because the end point controller (K min ) of the GS controller is optimally designed at 0 Hz compared to the H∞ controller that requires robustness.
実験システムへの実装を考えたとき、高周波領域を制御するために非常に短いサンプリング時間としていることと、4入力4出力システムであることに加え、剛性2次モードを制御する必要があるため、モデルの低次元化を行うことができず、次数の大きい制御器を用いている関係から、サンプリングごとの離散化は計算処理が遅れるという問題が発生した。そこで、0Hzから100Hzまで10Hz間隔で制御器を予め凸補間により求めておき、オフラインでそれぞれを離散化した制御器をテーブルとして用いて、スケジューリングパラメータによって切り換えるという方法を提案した。実装する制御器の数はDSPのメモリ容量の制約より選択した。テーブルを用いることで、GS制御器の閉ループ安定性が損なわれないかを、初期応答により検証した。ジャイロの影響が強く出る80Hz付近での切換では、収束速度に若干の違いがあったが、安定性に問題がなく、良好な結果を得ることができた。 When considering implementation in an experimental system, it is necessary to control the rigid secondary mode in addition to being a very short sampling time to control the high-frequency region and being a 4-input 4-output system, Since the model cannot be reduced in dimension and a controller with a large degree is used, there is a problem that the calculation process is delayed in the discretization for each sampling. Therefore, a method has been proposed in which controllers are obtained beforehand by convex interpolation at intervals of 10 Hz from 0 Hz to 100 Hz, and the controllers that are discretized offline are used as a table and switched according to scheduling parameters. The number of controllers to be mounted was selected because of DSP memory capacity constraints. It was verified by the initial response whether the closed loop stability of the GS controller was impaired by using the table. In the switching near 80 Hz where the influence of the gyro is strong, there was a slight difference in the convergence speed, but there was no problem in stability and good results could be obtained.
浮上時だけではなく、回転実験においても、ロータは原点付近に固定されており、ジャイロモーメントによる影響を十分に制御できていることを実験にて確認できた。また、剛性モードおよび弾性モードの後向き振れ回り運動による花びらのような軌跡が発生していない。以上のことから、ジャイロ効果による影響に対して、GS制御器の有効性が示された。しかし、回転周波数95Hz(5700rpm)で、H∞制御器と同様にタッチダウンする結果となった。 In the rotation experiment as well as during the ascent, the experiment confirmed that the rotor was fixed near the origin and the influence of the gyro moment could be controlled sufficiently. Also, no petal-like trajectory is generated due to the backward swing motion of the rigid mode and the elastic mode. From the above, the effectiveness of the GS controller was shown against the influence of the gyro effect. However, at a rotational frequency of 95 Hz (5700 rpm), the result was a touchdown similar to the H∞ controller.
実験結果を考察するため、実験に用いたGS制御器について、パラメータ変動に対する閉ループ系固有値解析を行った。GS制御器、H∞制御器の極はともに複素平面の左半面に位置しており、システムは安定である。しかし、プラントのパラメータ変動した際、GS制御器の極は固定されているのに対して、H∞制御器ではいくつかの極が右平面に移動していることが確認された。しかし、ジャイロ効果を考慮した剛性モデルの回転周波数を200Hzにまで増加しても、閉ループの安定性は保証される。そこで、実験において制御性能を劣化させていると考えられる曲げ一次弾性バックモードを含む低次元化モデルを用いて検証を行った。弾性モデルを用いることで、実験結果と同じ高周波がシミュレーションで励起されるようになった。また、浮上時における弾性モードの固有振動数と一致することから、低次元モデルに曲げ一次弾性バックモードが含まれていることが初期値応答からも確認できる。しかし、低周波成分や収束時間が大幅に異なり、実験システムよりも安定化しやすいモデルであるといえる。この原因がアクチュエータの諸元によるものと考え、GS制御器によって求められた制御電流にαという係数を掛け、再びシミュレーションを行った。低周波成分は完全に一致はしていないが、オーバーシュートの振幅や立ち上がり時の振幅が実験結果に近づく有効な結果となった。 In order to examine the experimental results, a closed-loop eigenvalue analysis was performed with respect to parameter fluctuations for the GS controller used in the experiment. The poles of the GS controller and H∞ controller are both located on the left half of the complex plane, and the system is stable. However, when the plant parameters fluctuated, the poles of the GS controller were fixed, whereas in the H∞ controller, it was confirmed that some poles moved to the right plane. However, even if the rotational frequency of the rigid model considering the gyro effect is increased to 200 Hz, the stability of the closed loop is guaranteed. Therefore, the experiment was verified using a reduced-order model including a bending primary elastic back mode, which is considered to deteriorate the control performance in the experiment. By using the elastic model, the same high frequency as the experimental result was excited in the simulation. In addition, since it matches the natural frequency of the elastic mode at the time of ascent, it can be confirmed from the initial value response that the bending primary elastic back mode is included in the low-dimensional model. However, it can be said that the low frequency component and the convergence time are significantly different, and the model is easier to stabilize than the experimental system. The cause was considered to be due to the specifications of the actuator, and the simulation was performed again by multiplying the control current obtained by the GS controller by a coefficient α. Although the low-frequency components do not match completely, the overshoot amplitude and the amplitude at the time of rise are effective results that approach the experimental results.
係数αを加えたときと、加えないときの安定性の比較を、閉ループの固有値解析にて行った。αを加えないときは、固有値が実軸からかなり離れた地点に存在するため、安定であった。しかし、実験システムは安定であるものの、極は実軸付近に存在する。この現象は、シミュレーションと実験の不一致の原因の1つであると考えられる。αを加えることで、極は右側に移動し、実験システムに近い極配置となった。また、前節のシミュレーション結果では、剛性2次モードは制御されていて、時系列応答には励起されていなかった。これについても、係数αを加えたときの極解析では、剛性2次モードの極が安定化され、実験結果と一致する。また、初期値応答を行ったところ、これまでのシミュレーションで100Hzにおいても安定していたGS制御器を用いたにもかかわらず、発散する結果となった。以上のことから、係数αを加えた低次元化弾性モデルは、実システムに近いモデルであるといえる。 A comparison of the stability when the coefficient α was added and when it was not added was performed by closed-loop eigenvalue analysis. When α was not added, it was stable because the eigenvalue exists at a point far from the real axis. However, although the experimental system is stable, the pole exists near the real axis. This phenomenon is considered to be one of the causes of mismatch between simulation and experiment. By adding α, the pole moved to the right, and the pole arrangement was close to the experimental system. In the simulation results in the previous section, the rigid secondary mode is controlled and not excited by the time series response. Also in this case, in the pole analysis when the coefficient α is added, the pole of the rigid secondary mode is stabilized and agrees with the experimental result. In addition, when the initial value response was performed, the result was divergent even though the GS controller that was stable at 100 Hz in the simulation so far was used. From the above, it can be said that the reduced-order elastic model to which the coefficient α is added is a model close to a real system.
今後の課題をしては、弾性モデルに係数αを加えたモデルを用いて、より良い性能を有する制御器の設計が必要と思われる。 For future work, it is necessary to design a controller with better performance using a model obtained by adding a coefficient α to an elastic model.
ジャイロ効果を考慮した磁気軸受系のゼロパワー制御
1.3 本研究の目的
本研究の目的は、バイアス電流を流さないで、非線形を有したまま、非線形制御理論に基づいて、ゼロパワー切換制御法によって安定化を図り、かつ、消費電力を低減して、ロータが高速回転できる制御器を設計し、有効性を検証する。
Zero Power Control of Magnetic Bearing System Considering Gyro Effect 1.3 Purpose of this Study The purpose of this study is zero power switching control method based on nonlinear control theory without passing bias current and maintaining nonlinearity. By designing a controller that can stabilize the rotor and reduce power consumption, the rotor can rotate at high speed, and verify its effectiveness.
1.3.1 モデリング簡単化
磁気軸受系では、運動方程式を求めるとき、ロータ系を考慮して、重心に関する状態方程式を得ることが一般である。しかし、実験装置においては、センサの観測点は重心の位置と異なっており、ロータの上、下部電磁石に近いところにおかれている。それで、制御器を設計するとき、センサからのフィードバック状態量は重心に関するものに変換しなければならないので、演算時間もかかり、精度も下がる。このような欠点に対して、重心位置でのロータ変位と電磁石に対応する点でのロータ変位、回転角と変位間の関係により、すべての電磁石に対してロータ重心に加えている電磁力と回転モーメントをロータ上、下部の電磁石により分離して考えると、最後に求めた状態方程式が簡単化される。すべての状態量はセンサからの変位信号のみに関連するものである。
1.3.1 Modeling simplification In a magnetic bearing system, when obtaining an equation of motion, it is common to obtain a state equation relating to the center of gravity in consideration of the rotor system. However, in the experimental apparatus, the observation point of the sensor is different from the position of the center of gravity, and is placed on the rotor near the lower electromagnet. Therefore, when designing the controller, since the feedback state quantity from the sensor must be converted to the one related to the center of gravity, it takes time to calculate and the accuracy is also reduced. For these disadvantages, the rotor displacement at the position of the center of gravity and the rotor displacement at the point corresponding to the electromagnet, the relationship between the rotation angle and displacement, the electromagnetic force and rotation applied to the rotor center of gravity for all electromagnets If the moment is considered separately on the rotor by the lower electromagnet, the state equation obtained at the end is simplified. All state quantities are related only to the displacement signal from the sensor.
1.3.2 ゼロパワー切換制御法
ゼロパワー切換制御の基本的な方法はフライホイールシステムのロータ部を剛体とみなし、ロータが1つの電磁石に接近するとき、接近した電磁石の制御電流を零にして、反対側にのみ制御電流を供給して、ロータが完全に平衡点になれば、一切の電流(パワー)を流さないといういうことである。さらに、制御器を設計するとき、制御入力は対向した電磁石間の吸引力として仮定する。求めた吸引力から切換法によって、実際の制御電流を求める。
1.3.2 Zero power switching control method The basic method of zero power switching control is that the rotor part of the flywheel system is regarded as a rigid body, and when the rotor approaches one electromagnet, the control current of the approaching electromagnet is set to zero. Thus, if the control current is supplied only to the opposite side and the rotor is completely at the equilibrium point, no current (power) flows. Further, when designing the controller, the control input is assumed as the attractive force between the opposing electromagnets. The actual control current is obtained from the obtained suction force by a switching method.
1.3.3 非線形制御器の設計と性能検証
本論文は0.5KWh級磁気軸受フライホイールシステムに対して、評価関数の最適化を目指した制御理論に基づいて、LQR法により制御器を設計して、実験で検証する。LQR法のレギュレータ制御器を設計した上で、定常偏差をなくすため、サーボ系を付加したLQI制御器を設計する。実験の結果から、サーボ系を付加した場合は、回転速度は100Hz付近に達した。しかし、ジャイロ効果を考慮すると、システムが回転速度という変動パラメータに依存するLPVシステムになったため、普通のLTIコントローラでは厳密には補償できない。したがって、ゲインスケジュール型スライディング制御を提案する。実験の結果、ジャイロ効果の影響を補償したが、LQIコントローラと同じ所でタッチダウンしてしまった。つまり、ある周波数に到達すれば、弾性モードを考慮しないと、システムが不安定になることがわかった。そのため、浮上状態の加振実験により、回転周波数と固有振動数の関係を求める。この結果より、回転周波数が100Hz付近から、大きなピークが発生している。すなわち、100Hzは弾性モードのバックワード共振点と認められる。本論文では、弾性モデルの次数が高いため、非モデルベースのPID制御で130Hzまで増速できた。しかし、PID制御の弾性モデルのシミュレーションと実験結果が一致しない問題が発生しており、これについては今後考察する。
1.3.3 Design and performance verification of nonlinear controller This paper designs a controller for the 0.5 kWh class magnetic bearing flywheel system based on the control theory aimed at optimizing the evaluation function using the LQR method. And verify with experiments. After designing a regulator controller for the LQR method, an LQI controller with a servo system added is designed to eliminate the steady-state deviation. From the experimental results, when the servo system was added, the rotational speed reached around 100 Hz. However, when the gyro effect is taken into account, the system becomes an LPV system that depends on a fluctuation parameter such as a rotational speed, and therefore cannot be strictly compensated by an ordinary LTI controller. Therefore, we propose gain-scheduled sliding control. As a result of the experiment, the influence of the gyro effect was compensated, but it touched down at the same place as the LQI controller. In other words, it was found that if a certain frequency was reached, the system would become unstable without considering the elastic mode. Therefore, the relationship between the rotation frequency and the natural frequency is obtained by an excitation experiment in a floating state. From this result, a large peak occurs at a rotation frequency of around 100 Hz. That is, 100 Hz is recognized as the backward resonance point of the elastic mode. In this paper, because the order of the elastic model is high, the speed was increased to 130 Hz by non-model-based PID control. However, there is a problem that the simulation results of the elastic model of PID control and the experimental results do not match, which will be considered in the future.
制御対象は、図1〜図3に示す磁気軸受装置である。 The controlled object is the magnetic bearing device shown in FIGS.
3.制御理論
本磁気軸受系では、バイアス電流を完全に回避できるため、電磁力と変位間の非線形関係を有したまま、非線形理論に基づいて、制御器を設計する。
3. Control Theory In this magnetic bearing system, since the bias current can be avoided completely, the controller is designed based on the nonlinear theory while maintaining the nonlinear relationship between the electromagnetic force and the displacement.
3.1 線形2次形式評価模範による制御系設計
3.1.1 最適レギュレータ
評価関数を設け、それを最小とするように状態フィードバックによる最適制御入力を決定する設計法について述べる。可制御で線形な時不変システム
のもとで、ある評価関数を最小にする制御則が線形な状態フィードバック制御則となるためには、評価関数を以下のように2次形式とする必要がある。
ここで、制御目的の重み行列Qは非負定な対称行列、制御入力の重み行列Rは正定対称行列とする。2次形式評価関数式(3.2)で終端時間tf→∞とした式(3.3)の評価関数
を最小にする最適制御入力は
で与えられる。ここで、Pは式(3.5)のリカッチ型代数方程式の正定対称行列であり、一意に決定される。
式(3.3)からわかるように、重み行列の定性的な設計指針としては、Qを大きくとれば制御性能が増し、Rを大きくとれば制御入力を小さくできることになる。目的関数と制御入力の間には、トレードオフの関係がある。 As can be seen from equation (3.3), as a qualitative design guideline for the weight matrix, if Q is increased, control performance increases, and if R is increased, control input can be reduced. There is a trade-off between the objective function and the control input.
制御の目的関数として何を採用するかは、制御仕様によるが、振動系の制御問題では、位置エネルギ:(1/2)kx2、運動エネルギ:(1/2)mx2を採用する場合がある。また、たとえば加速度を抑制することを目的とする場合には、加速度は一般に
y=Cx+Du (3.6)
と、制御入力の直達項を含めて表されるから、
And including the direct terms of the control input,
を評価関数に取り入れる必要がある。この場合には、クロスターム項を加えた次に2次形式評価関数を採用する。
この場合の最適制御入力は以下のように与えられる。
Pは以下のリカッチ方程式の一意正定対称行列である。
評価関数に2次形式を用いて線形な状態フィードバック制御則を導き、状態を原点に戻す閉ループ系を構成する制御系を線形2次形式レギュレータという。 A control system that constitutes a closed loop system that derives a linear state feedback control law using a quadratic form for the evaluation function and returns the state to the origin is called a linear quadratic form regulator.
3.2 リアプノフの安定性理論
3.2.1 内部安定性の定義
非線形時変システムのふるまいは、線形時不変システムのように指数関数で表されるわけではなく、一般に複雑である。したがって、安定性の精密な定義を行えば、多様な概念を考えることができる。連続系の場合と同様、離散値系にもリアプノフの安定の概念が適用される。今、次のようなシステムを考える。ここでは、そのうちのいくつかを説明する。
3.2 Lyapunov's theory of stability 3.2.1 Definition of internal stability The behavior of a nonlinear time-varying system is not represented by an exponential function like a linear time-invariant system, and is generally complex. Therefore, if a precise definition of stability is made, various concepts can be considered. As in the case of continuous systems, Lyapunov's concept of stability is applied to discrete value systems. Now consider the following system. Here are some of them.
x=f(x,t) (3.11)
ここで、xはn次元状態ベクトル、fは時間tとxに関して連続な関数である。式(3.11)は任意の初期時刻t0と初期状態x0に対して、すべての時刻にわたって一意解を有する。また、t≧0における値をx(t,x0,t0)と表す。ただし、x(t0,x0,t0)=x0である。このシステムにおいて
x(t,x0,te)≡xe (3.12)
が成り立つ状態xeを平衡状態と呼ぶ。平衡状態とは、式(3.11)の定数解であるから、すべてのtで
f(t,xe)=0 (3.13)
を満たすものである。この式は非線形時変方程式であるから、定数解をいつも持つとは限らない。また、持つとしても唯一とは限らない。システムの平衡状態xeの周りの振る舞いを考えるとき、xeが状態空間の原点x=0であるとしても一般性は失われない。もしxe≠0ならば、状態空間の座標系を移動して、新たなf関数に対する微分方程式は原点x=0を平衡状態として持ち、その解の振る舞いは式(3.11)と同じである。
x = f (x, t) (3.11)
Here, x is an n-dimensional state vector, and f is a continuous function with respect to times t and x. Equation (3.11) has a unique solution over all times for any initial time t 0 and initial state x 0 . A value at t ≧ 0 is represented as x (t, x 0 , t 0 ). However, x (t 0 , x 0 , t 0 ) = x 0 . In this system x (t, x 0, t e) ≡x e (3.12)
A state x e in which is established is called an equilibrium state. Since the equilibrium state is a constant solution of equation (3.11), f (t, x e ) = 0 (3.13) at all t.
It satisfies. Since this is a nonlinear time-varying equation, it does not always have a constant solution. Also, even if you have it, it is not necessarily unique. When considering the behavior around the equilibrium state x e of the system, generality is not lost even if x e is the origin x = 0 of the state space. If x e ≠ 0, the coordinate system of the state space is moved, the differential equation for the new f-function has the origin x = 0 as the equilibrium state, and the behavior of the solution is the same as in equation (3.11).
安定性
安定性とは初期状態x0を平衡状態x=0に近く取ることによって、解x(t,t0,x0)をx=0の近くに止めることができるという概念である。
Stability Stability is the concept that the solution x (t, t 0 , x 0 ) can be stopped near x = 0 by taking the initial state x 0 close to the equilibrium state x = 0.
定義1:任意の正数εと初期時刻t0に対して、ある正数δ(t0,ε)が存在し、‖x0‖≦δなる初期状態x0について、すべての時刻t≧t0で、‖x(t,t0,x0)‖≦εが成立するとき、平衡状態x=0は安定である。図80(a)を参照する。 Definition 1: For any positive number ε and initial time t 0 , there exists a certain positive number δ (t 0 , ε), and all times t ≧ t for the initial state x 0 where ‖x 0 ‖ ≦ δ. When 0 and ‖x (t, t 0 , x 0 ) ‖ ≦ ε hold, the equilibrium state x = 0 is stable. Reference is made to FIG.
一様安定性
安定性の定義では、解x(t)が平衡状態の近傍に止まるためには、どれくらい初期状態が平衡状態に近くなければならないかの距離が初期状態に依存して、初期時刻にかかわらず、だいたい同じであることを一様と定義する。
Uniform stability In the definition of stability, in order for the solution x (t) to stay close to the equilibrium state, the distance that the initial state must be close to the equilibrium state depends on the initial state, and the initial time Regardless of whether or not it is almost the same.
定義2:定義1において、正数δとして、初期時刻に独立なものδ(ε)が存在するとき、平衡状態x=0は一様安定であるという。微分方程式(3.11)が時不変、つまりその右辺の関数fが時間に独立で、非線形関数f(x)ならば、その解は初期時刻に存在しない。ゆえに、このときの安定性と一様安定性は等価である。
Definition 2: In
一様漸近安定性
一様安定性に加えて、解が平衡状態に時間とともに収束するとき、一様漸近安定性という。
Uniform asymptotic stability In addition to uniform stability, when a solution converges to equilibrium with time, it is called uniform asymptotic stability.
定義3:一様安定したうえで、ある正数rと任意的な小さい正数μに対して時間T(μ,r)が存在し、‖x0‖≦rなるすべての初期状態x0と任意の初期時刻t0について、すべての時刻t≧t0+Tで
‖x(t,t0,x0)‖≦μ (3.14)
が成立するとき、一様漸近安定であるという。図80(c)を参照する。
Definition 3: With uniform stability, there exists a time T (μ, r) for a certain positive number r and an arbitrarily small positive number μ, and all initial states x 0 satisfying ‖x 0 ‖ ≦ r For any initial time t 0 , で x (t, t 0 , x 0 ) ‖ ≦ μ (3.14) at all times t ≧ t 0 + T
When is established, it is said to be uniformly asymptotically stable. Reference is made to FIG.
大域的一様安定性
解が平衡状態に収束するとき、その収束解の出発する初期状態の集合を吸収領域と呼ぶ。この吸収領域が状態空間の全体であることを大域的という語で表す。図80(b)を参照する。
Global uniform stability When a solution converges to an equilibrium state, the set of initial states from which the converged solution starts is called an absorption region. The global state indicates that this absorption region is the entire state space. Reference is made to FIG.
定義4:平衡状態x=0は、任意の大きな正数rに対する初期状態x0の集合‖x0‖≦rを考えても、一様漸近安定である。 Definition 4: The equilibrium state x = 0 is uniformly asymptotically stable even when considering the set ‖x 0 ‖ ≦ r of the initial state x 0 for any large positive number r.
任意の正数ηに対してある正数ξ(η)が存在し、‖x0‖≦ηなる任意の初期状態x0とすべての初期時刻t0について、すべての時刻t≧t0で、
‖x(t,t0,x0)‖≦ξ (3.15)
が成立するとき、大域的一様漸近安定であるという。
There exists a positive number ξ (η) for any positive number η, and for any initial state x 0 and all initial times t 0 where ‖x 0 ‖ ≦ η, at all times t ≧ t 0 ,
‖X (t, t 0 , x 0 ) ‖ ≦ ξ (3.15)
When is established, it is said to be globally uniform asymptotically stable.
大域的一様漸近安定の定義は、単に一様漸近安定性の吸収領域を大域的にしただけでなく、条件が追加されている。この条件は一様有界性と呼ばれている。一様有界性は一様安定性に似ているが、一様安定性では、解の存在範囲に対する初期状態の範囲を考えて、一様有界性では、初期状態の範囲に対する解の存在範囲を見ている点である。したがって、一様有界であって一様安定でない平衡状態や、その逆のものも存在する。 The definition of global uniform asymptotic stability is not only made the absorption region of uniform asymptotic stability global, but also added a condition. This condition is called uniform boundedness. Uniform boundedness is similar to uniform stability, but with uniform stability, the range of the initial state relative to the existence range of the solution is considered. This is the point of looking at the range. Therefore, there are equilibrium states that are uniformly bounded and not uniformly stable, and vice versa.
3.2.2 リアプノフの安定判別法
微分方程式の平衡状態が、前項で述べた安定性のどの性質を持つかを調べる方法としてリアプノフの安定判別法と呼ばれる方法がある。解の平衡状態からの距離を時間的変化が状態のスカラ関数を用いて評価されるもので、解を求めることなく、解析的に安定性を調べることができる。このスカラ関数は、平衡状態からの距離の概念を拡張したもの、または、状態が物理的変数ならば、その変数に対応する要素が持つポテンシャルエネルギの概念を拡張したものと見なすことができる。
3.2.2 Lyapunov stability discrimination method There is a method called Lyapunov stability discrimination method as a method for examining which of the stability properties described in the previous section the equilibrium state of the differential equation has. The distance from the equilibrium state of the solution is evaluated using a scalar function of the state, and the stability can be examined analytically without obtaining a solution. This scalar function can be regarded as an extension of the concept of distance from the equilibrium state, or, if the state is a physical variable, an extension of the concept of potential energy possessed by the element corresponding to the variable.
今、時間tと状態xを変数とするスカラ関数(t,x)を考える。tとxに関して連続微分可能で、すべてのtでV(t,0)=0とする。そして、この関数に対して、以下の性質を定義する。 Consider a scalar function (t, x) with time t and state x as variables. Continuous differentiation is possible with respect to t and x, and V (t, 0) = 0 at all t. The following properties are defined for this function.
α(σ)は連続かつσに関して非減少の1変数スカラ関数で、α(0)=0かつσ>0に対してα(σ)>0である。すべてのt,xについて
α(‖x‖)≦V(t,x) (3.16)
が成立するようなα(σ)が存在するとき、V(t,x)は正定であるという。
α (σ) is a univariate scalar function that is continuous and non-decreasing with respect to σ, and α (σ)> 0 for α (0) = 0 and σ> 0. For all t, x α (‖x‖) ≦ V (t, x) (3.16)
V (t, x) is said to be positive definite when there exists α (σ) that holds.
式(3.16)を満たすα(σ)で
となるものが存在するとき、V(t,x)は半径方向に非有界であるという。 V (t, x) is said to be unbounded in the radial direction.
α(σ)と同様の性質を持つ関数β(σ)が存在し、すべてのt,xについて
V(t,x)≦β(‖x‖) (3.18)
が成立するとき、V(t,x)はデレクセントであるという。これは、‖x‖が減少することについて、V(t,x)も一様に減少するという意味である。
There exists a function β (σ) having properties similar to α (σ), and V (t, x) ≦ β (‖x‖) (3.18) for all t, x.
Is established, V (t, x) is said to be dexcent. This means that V (t, x) decreases uniformly as ‖x‖ decreases.
次に、時刻tで状態がxであるとして、その点に式(3.11)の解に沿ったV(t,x)の時間微分V(t,x)を考える。V(t,x)は
と表され、次の性質を定義する。 And defines the following properties:
すべてのt,xについて
V(t,x)≦0 (3.20)
であるとき、V(t,x)は準負定であるという。
For all t, x V (t, x) ≤0 (3.20)
V (t, x) is quasi-negative.
α(σ)と同様の性質を持つ関数γ(σ)が存在し、すべてのt,xについて
V(t,x)≦−γ(‖x‖) (3.21)
が成立するとき、V(t,x)は負定であるという。
There exists a function γ (σ) having properties similar to α (σ), and V (t, x) ≦ −γ (‖x‖) for all t, x (3.21)
When V is satisfied, V (t, x) is said to be negative.
以上の準備のもとに、リアプノフの考えに基づく安定定理を述べる。 Based on the above preparation, the stability theorem based on Lyapunov's idea is described.
以下の性質を持つ関数V(t,x)が存在すれば、式(3.11)の平衡状態x=0について、次のことが言える。 If a function V (t, x) having the following properties exists, the following can be said with respect to the equilibrium state x = 0 in the equation (3.11).
V(t,x)が正定で、V(t,x)が準負定ならば、安定である。 If V (t, x) is positive and V (t, x) is quasi-negative, it is stable.
V(t,x)が正定かつデレクセントで、V(t,x)が準負定ならば、一様安定である。 If V (t, x) is positive and dexcent, and V (t, x) is quasi-negative, it is uniformly stable.
V(t,x)が正定かつデレクセントで、V(t,x)が負定ならば、一様漸近安定である。 If V (t, x) is positive and dexcent and V (t, x) is negative, it is uniformly asymptotically stable.
V(t,x)正定かつデレクセント、かつ半径方向に非有界で、V(t,x)が負定ならば、大域的一様漸近安定である。 If V (t, x) is positive, decent, unbounded in the radial direction, and V (t, x) is negative, it is globally uniform asymptotically stable.
定義から明らかなように、安定性、一様安定性、一様漸近安定性は平衡状態近傍の解の性質である。したがって、この定理の条件は、平衡状態の近傍で成立すれば十分である。この定理が重要なのは、非線形微分方程式を解くことなく、平衡状態を知ることができる点である。これらの定理の条件を満たす関数をリアプノフ関数という。 As is clear from the definition, stability, uniform stability, and uniform asymptotic stability are properties of the solution near the equilibrium state. Therefore, it is sufficient that the condition of this theorem is established near the equilibrium state. This theorem is important in that it can know the equilibrium state without solving the nonlinear differential equation. A function that satisfies the conditions of these theorems is called a Lyapunov function.
3.2.3 コントロールリアプノフ関数(CLF)
次に、前項のリアプノフ関数をより拡張した、コントロールリアプノフ関数について述べる。
3.2.3 Control Lyapunov function (CLF)
Next, the control Lyapunov function, which is an extension of the Lyapunov function in the previous section, will be described.
次のような時不変システムを考える。 Consider the following time-invariant system:
x=f(x,u),x∈Rn,u∈R,f(0,0)=0 (3.22)
ここで、制御入力uにフィードバック制御則αを代入して得られる閉ループ系
x=f(x,α(x)) (3.23)
が平衡点x=0において大域的漸近安定となるようなα(x)を設計することを考える。V(x)をリアプノフ関数の候補とすると、式(3.23)が安定であるためには、V(x)≦−W(x)を満たす必要がある。ここで、W(x)は正定関数である。すべてのx∈Rnに対して
Here, a closed loop system obtained by substituting the feedback control law α for the control input u x = f (x, α (x)) (3.23)
Consider designing α (x) such that is globally asymptotically stable at equilibrium point x = 0. Assuming that V (x) is a Lyapunov function candidate, V (x) ≦ −W (x) needs to be satisfied in order for Equation (3.23) to be stable. Here, W (x) is a positive definite function. For all x∈R n
を満たすようなαを見つけるという問題に帰着する。しかし、この問題は難しい問題である。なぜなら、式(3.22)を安定化する制御則は存在するかもしれないが、V(x)やW(x)の選び方によっては式(3.24)を満たさない可能性があるからである。そこで、望ましいV(x)やW(x)を選択することができるシステムは「コントロールリアプノフ関数を所有する」と言われる。以下のその概念を明確にする。 This results in the problem of finding α that satisfies. However, this problem is a difficult problem. This is because there may be a control law that stabilizes equation (3.22), but equation (3.24) may not be satisfied depending on how V (x) and W (x) are selected. Thus, a system that can select the desired V (x) or W (x) is said to “own the control Lyapunov function”. Clarify the concept below.
定義2.4 連続正定関数で半径方向に非有界な関数V:Rn→R+が次式を満たすとき、V(x)をコントロールリアプノフ関数と呼ぶ。
また、次式で表されるようなシステム
x=f(x)+g(x)u,f(0)=0 (3.26)
の場合、コントロールリアプノフ関数の不等式は以下のようになる。
In the case of, the inequality of the control Lyapunov function is
もしV(x)を式(3.26)のコントロールリアプノフ関数とすると、ソンタックの公式(Sontag's formula)により、すべてのx≠0に対して連続な安定化制御則α(x)は以下のように一意に与えられる。
ここで、式(3.27)は
のときのみ条件を満たすことに注意しなければならない。この場合、式(3.28)は
となる。 It becomes.
さらに、式(3.26)に対する安定化制御則の特徴として、α(x)はコントロールリアプノフ関数V(x)が次のような条件を満たすときのみ、x=0で連続となる。どのε>0に対してもx≠0のとき、|x|<δを満たすδ(ε)>0が存在し、|u|<εなるuが次式を満たすとき
制御系設計を用いる際のコントロールリアプノフ関数の主な欠点は、ほとんどの非線形システムはコントロールリアプノフ関数が未知であるということである。また、それと同じくらい安定化制御則を設計するのは困難である。しかし、バックステッピング法を用いれば、コントロールリアプノフ関数を見つけることと、安定化制御則を設計するという2つの課題を同時に解決することができる。この手法を始めるにあたって、少なくともまず、スカラシステムに対してコントロールリアプノフ関数V(x)と安定化制御則α(x)を見つけられるようにならなければならない。幸運なことに、スカラシステムに対してはV(x)=x2/2がいつも妥当なコントロールリアプノフ関数であり、不等式(3.27)を容易に満たす。
The main drawback of the control Lyapunov function when using control system design is that the control Lyapunov function is unknown for most nonlinear systems. It is also difficult to design a stabilization control law as much as that. However, if the backstepping method is used, the two problems of finding the control Lyapunov function and designing the stabilization control law can be solved simultaneously. In starting this method, at least first, it must be possible to find the control Lyapunov function V (x) and the stabilization control law α (x) for the scalar system. Fortunately, always reasonable
3.3 スライディングモード法
制御系の構造を変える理論は可変構造制御理論と呼ばれ、その中で最も理論的に体系化されているのがスライディングモード制御理論である。その特徴として優れたロバスト制御系が構築できるといったことが挙げられ、今日システムの安定化やサーボ系をはじめとして、様々な制御目的に適応できるまでに理論が進んでいる。
3.3 Sliding mode method The theory of changing the structure of the control system is called variable structure control theory, and the most theoretically structured among them is the sliding mode control theory. One of the features is that an excellent robust control system can be constructed, and the theory has advanced to the point where it can be applied to various control purposes such as system stabilization and servo systems.
3.3.1 スライディングモードの存在条件
スライディングモード制御では、システムの位相空間上での挙動は到達モードとスライディングモード2つに分けられ、状態が超平面の方向に向かい、そして超平面に辿り着く条件到達条件と呼ばれる。この到達条件を満足していれば、到達モードは有限時間の間に超平面に到達し、マッチング条件を満たす外乱に対しロバストになる。これらのことから、スライディングモード制御を実現するためには以下の手順が必要となる。
3.3.1 Presence condition of sliding mode In sliding mode control, the behavior in the phase space of the system is divided into two modes, reaching mode and sliding mode, and the state is directed toward the hyperplane and reaches the hyperplane. It is called a condition reaching condition. If this arrival condition is satisfied, the arrival mode reaches the hyperplane for a finite time and is robust against disturbances that satisfy the matching condition. For these reasons, the following procedure is necessary to realize the sliding mode control.
(1) 与えられたプラントより低次数で、一般には(システム次元:n)(入力次元は:m)の望ましいシステムダイナミクスを表すための切換面を設計すること。 (1) Design a switching surface to represent the desired system dynamics of a lower order than the given plant, generally (system dimension: n) (input dimension: m).
(2) 切換面の外にあるどのような状態量も、有限時間に切換面に到達するような可変構造制御入力u(t)を設計すること。 (2) Design a variable structure control input u (t) so that any state quantity outside the switching surface reaches the switching surface in a finite time.
これらは、「スライディングモードコントローラを設計する」ことに他ならない。スライディングモード到達条件を満足するために、様々なアプローチが提案されているが、本研究ではリアプノフ関数法を適用する。今、リアプノフ関数の候補を次のように選ぶ。 These are none other than “designing a sliding mode controller”. Various approaches have been proposed to satisfy the sliding mode arrival condition. In this study, the Lyapunov function method is applied. Now, select Lyapunov function candidates as follows.
V=σT・σ/2 (3.32)
このとき、包括的なスライディングモード到達条件は次式で与えられる。
V = σ T・ σ / 2 (3.32)
At this time, a comprehensive sliding mode reaching condition is given by the following equation.
V=σT・σ≦0 (3.33)
この到達則を満足させるように可変構造制御入力を決定することが重要である。
V = σ T・ σ ≦ 0 (3.33)
It is important to determine the variable structure control input to satisfy this reaching law.
3.3.2 等価制御法による解析
スライディングモードが存在しているとき、システムは非線形性の最も強いスイッチング入力のため、解析などが著しく困難となる。このスイッチング入力を連続入力で置き換えることにより、解析および設計の見通しがよくなる。システムは
x=Ax+Bu
σ=Sx (3.34)
と定義し、A∈Rnで、B∈RmとS∈Rmをプルランクとする。式(3.35)において、スライディングモードが存在すると
σ=0 (3.35)
式(3.36)の関係を得られる。
3.3.2 Analysis by equivalent control method When the sliding mode exists, the system is extremely difficult to analyze because it has the most nonlinear switching input. Replacing this switching input with a continuous input improves the prospects for analysis and design. The system is x = Ax + Bu
σ = Sx (3.34)
It is defined as, in A∈R n, and Pururanku the B∈R m and S∈R m. In equation (3.35), if there is a sliding mode, σ = 0 (3.35)
The relationship of equation (3.36) is obtained.
σ=Sx=S(Ax+Bu)=0 (3.36)
よりdet(SB)≠0ならば等価制御入力が以下のように求まる。
σ = Sx = S (Ax + Bu) = 0 (3.36)
If det (SB) ≠ 0, the equivalent control input is obtained as follows.
ueq=−(SB)−1SAx (3.37)
この等価制御入力ueqはシステムの理想的な連続制御入力であり、ueqを元のシステムの式(3.34)に代入することによって、入力の数だけ低次元化された以下のようなシステムが得られる。このシステムを等価制御系という。
u eq =-(SB) -1 SAx (3.37)
This equivalent control input u eq is an ideal continuous control input of the system, and by substituting u eq into the equation (3.34) of the original system, the following system reduced in number by the number of inputs can be obtained. can get. This system is called an equivalent control system.
x={I−B(SB)−1S}Ax (3.38)
この閉ループの固有値は伝達関数S(sI−A)−1Bの(n−m)個の零点とm個の原点極からなっている。スライディングモード制御の考え方法を示すために、次式のように表すことができる線形時不変系の制御対象を考える。簡単のため、制御対象は1入力(m=1)、システムの次数はn次とし、正準形に変換されているものとする。
The eigenvalue of this closed loop is composed of (n−m) zeros and m origin poles of the transfer function S (sI−A) −1 B. In order to show the idea of sliding mode control, consider a control object of a linear time-invariant system that can be expressed as: For simplicity, it is assumed that the control target is one input (m = 1), the order of the system is n-th order, and is converted to a canonical form.
スライディングモード制御系の構造は、次式のような切換関数σによって支配される。
ここで、正則行列s2は任意であるので、s2=Imとする。切換関数は、位相平面をσの符号が異なるように分割する。この切換関数の符号によって制御入力を切り換えることにより、システムの状態を切換超平面上に拘束し、入力の数だけ低次元化された望ましいシステムを構成する。切換超平面上に状態を拘束されたシステムを等価制御系といい、この系について考えることにより、スライディングモードにあるシステムの動特性を解析できる。 Here, since the regular matrix s 2 is arbitrary, s 2 = Im. The switching function divides the phase plane so that the signs of σ are different. By switching the control input according to the sign of this switching function, the system state is constrained on the switching hyperplane, and a desirable system reduced in number by the number of inputs is constructed. A system whose state is constrained on the switching hyperplane is called an equivalent control system. By considering this system, the dynamic characteristics of the system in the sliding mode can be analyzed.
超平面上においては式(3.40)に示す切換関数σは0であるため、
x2(t)=−s1x1(t) (3.41)
となり、x2がx1のサブシステムへの入力となる。すなわち、式(3.39)は
x1(t)=(A11−A12s1)x1(t)σ
=s1x1(t)+s2x2(t)=0 (3.42)
となり、低次元化された遅いx1のシステムと早いシステムであるσ=0とに分離された、マッチング条件を満たすパラメータ変動や外乱の影響を受けないシステムとなる。上式に示されたように、スライディングモードの動特性は行列Sにより決められる。
Since the switching function σ shown in the equation (3.40) is 0 on the hyperplane,
x 2 (t) = − s 1 x 1 (t) (3.41)
Next, x 2 is the input to the subsystem of x 1. That is, the equation (3.39) is expressed as follows: x 1 (t) = (A 11 −A 12 s 1 ) x 1 (t) σ
= S 1 x 1 (t) + s 2 x 2 (t) = 0 (3.42)
Thus, the system is separated from the low-dimensional slow x 1 system and the fast system σ = 0, which is not affected by parameter fluctuations or disturbances that satisfy the matching condition. As shown in the above equation, the dynamic characteristics of the sliding mode are determined by the matrix S.
3.3.3 スライディングモード到達条件とチャタリング低減
ここでは、超平面上にシステムの状態を到達させ、拘束するための条件、すなわちスライディングモード到達条件を満たす制御入力を求める。先にも示したようにリアプノフ関数を次式のように置く。
3.3.3 Sliding Mode Achieving Conditions and Chattering Reduction Here, a control input for obtaining the condition of the system on the hyperplane and restraining it, that is, a control input satisfying the sliding mode reaching condition is obtained. As shown earlier, the Lyapunov function is set as follows.
V=σ2/2 (3.43)
このとき、スライディングモード到達条件は、次式を満足すればよい。
V = σ 2/2 (3.43 )
At this time, the sliding mode arrival condition may satisfy the following equation.
v=σσ<0 (3.44)
切換関数は次式で表すことができる。
The switching function can be expressed as:
ただし、z(t)は目標値をrとして出力との誤差積分値を算出したものとする。このとき式(3.44)のスライディングモード到達条件を満足するためには、制御入力u(t)が以下の条件を満たさなければならない。
制御入力を次式のような形とする。
ここでsqn(σ)に関する符号関数である。このとき、超平面上でのシステムの状態、すなわち等価制御系の応答と外乱が既知であれば、式(3.40)を常に満足させることが可能となる。しかし、実際に外乱などの観測が不可能な場合が多く、そのため、切換ゲインkを適当な定数とするがいっぱいである。切換幅をあまり大きく取りすぎると、制御入力にチャタリングを引き起こす原因となる。また、実際の連続系のプラントに使用するとき、アナログ切換装置には何らかのおそれが存在する。また、ディジタルで使用する場合には、サンプリング周期を無限小にすることができず、一種の遅れが存在する。このような理想的でない装置を使うと、切換周波数を無限に大きくすることは不可能であり、現実のスライディングモードは切換面をすべることにはならず、その近傍でチャタリングすることになる。その制御入力のチャタリングにより制御対象をモデル化する際に無視した高周波領域を励振し、スピルオーバを引き起こす原因となる可能性がある。このようなチャタリングを低減させるため、本研究では次のような平滑化定数を制御入力に導入する。
切換制御入力を平滑化することによりチャタリングの低減が可能となるが、超平面近傍でスライディングモード到達条件を満たすことができず、切換超平面からの偏差が発生する。このとき、式(3.50)は
となる。上式において定常的な外乱などが存在するとき、切換関数σの値がσ→∞となるとき、式(3.50)の右辺→0となり、切換幅kを定数とする場合には左辺=右辺となるσで釣り合ってしまう。これにより、マッチング条件を満たすシステムパラメータ変動および外乱に対し不感であると言うスライディングモード制御の特徴が失われることになるため、平滑化定数δは必要最小限の大きさにするべきである。また、このときのはサンプリングタイムと密接な関係をとっており、離散時間系の設計をする必要があるものと思われる。 It becomes. In the above equation, when there is a steady disturbance or the like, when the value of the switching function σ is σ → ∞, the right side of the equation (3.50) → 0, and when the switching width k is a constant, the left side = the right side Will be balanced by σ. As a result, the characteristic of the sliding mode control that is insensitive to system parameter fluctuations and disturbances that satisfy the matching condition is lost, so the smoothing constant δ should be set to the minimum necessary size. At this time, it is closely related to the sampling time, and it seems necessary to design a discrete time system.
4.モデリング
4.1 ジャイロ効果を考慮しない場合のモデリング
使用する実験装置は図81の左図で説明したような5軸制御型であるが、z方向の浮上はPID制御によって制御されており、残ったラジアル方向の4自由度だけを本研究の制御対象と考えている。右図はロータのX、Y軸方向の運動形式が全く同じ対称なので、X−Z平面だけを示す。式(4.1)はロータの重心に対する運動方程式である。
ここで、Fxu、Fxl、Fyu、FylはロータのX、Y軸方向の上下部に対向した電磁石間の吸引力差である。それぞれは式(4.2)のようになる。
重心に対する運動方程式から、状態空間モデルを得られるが、状態量は重心位置でのロータ変位と回転角であり、しかし、実験において、センサの観測点は重心の位置と異なって、ロータの上下部の電磁石に近いところに置かれている。その問題を解消するため、モデルの簡単化を行う。まず、図81の右側の図を見ると、重心位置でのロータ変位と電磁石に対応する点でのロータ変位、さらにそれぞれの回転角と変位間の関係は式(4.3)のようになる。
さらに、すべての電磁石に対してロータ重心に加えている電磁石と回転モーメントをロータ上下部の電磁石により分離して考えると、式(4.3)を式(4.1)に代入して、最後に運動方程式は式(4.4)のように簡単となる。
係数au、alは式(4.5)となる。
式(4.4)によって状態方程式は以下のように表される。
ここで、x1、x2は変位と速度の状態量、制御入力Uは対向した電磁石間の吸引力差である。
それぞれのパラメータを表4.1に示す。
5.非線形制御器設計と性能検証1
5.1 LQI制御器設計
5.1.1 レギュレータ制御器設計
まず、第3章に述べたバックステッピング制御理論により、状態変位はx1、速度はx2とおき、システムは式(5.1)のような2次系となる。
5. Nonlinear controller design and
5.1 LQI controller design 5.1.1 Regulator controller design First, according to the backstepping control theory described in
x1=x2
x2=B2U (5.1)
ここで、x1=(xu xl yu yl)T、x2=(xu xl yu yl)T
U=(Fxu Fxl Fyu Fyl)T
評価関数は式(5.2)となる。
x 2 = B 2 U (5.1)
Where x 1 = (x u x l y u y l ) T , x 2 = (x u x l y u y l ) T
U = (F xu F xl F yu F yl) T
The evaluation function is expressed by equation (5.2).
ここで、
ように設定する。さらに、目標値入力に定常偏差なく追従するサーボ系の設計を行う。ここで、rを一定目標値とするとき、制御問題は閉ループ系を安定し、かつ、出力yを目標値に一致させることである。この場合、目標値と出力の誤差e=r−yの積分xrを含めた式(5.3)のような拡大状態方程式を得る。
ここで、xa=[xTxr t]とすると、評価関数は式(5.4)となる。
評価関数を最小にする状態フィードバック制御を考える。状態フィードバック制御入力は式(5.5)となる。
ブロック線図を図82に示す。 A block diagram is shown in FIG.
5.1.2 制御電流の切換法
実験するとき、制御入力は対向した両電磁石間の吸引力ではなくて、端的な電磁石に流している電流であり、それで、求められた吸引力の正負により2対の電磁石の切換方法に基づいて電流を逆算する。ここで、ロータのX軸方向の電磁石の切換法を詳細に述べる。
5.1.2 Control current switching method In the experiment, the control input is not the attractive force between the opposing electromagnets, but the current flowing in the end electromagnet. The current is calculated backward based on the switching method of the two pairs of electromagnets. Here, a method for switching the electromagnet in the X-axis direction of the rotor will be described in detail.
1) Fxu≧0のとき
Fxu≧0のときは、図81において、電磁石1が吸引すればよい。そのときの力と電流i1の関係式(i3=0として)
から、i1を以下のように示す。
2) Fxu<0のとき
Fxu<0のときは、図81において、電磁石3が吸引すればよい。そのときの力と電流i3の関係式(i1=0として)
から、i3を以下のように示す。
下部についても同様に考えることができる。 The same applies to the lower part.
1) Fxl≧0のとき
Fxl≧0のときは、図81において、電磁石5が吸引すればよい。そのときの力と電流i5の関係式(i7=0として)
から、i5を以下のように示す。
2) Fxl<0のとき
Fxl<0のときは、図81において、電磁石7が吸引すればよい。そのときの力と電流i7の関係式(i5=0として)
から、i7を以下のように示す。
この切換条件によって吸引力を各電磁石の電流に変換し、電磁石の出力とすることで制御を行う。 Control is performed by converting the attraction force into the current of each electromagnet according to this switching condition and using it as the output of the electromagnet.
5.1.3 シミュレーション
図83(a)はタッチダウンから平衡点までの初期値と0.05秒時に、50Nの外乱を印加したインパルス応答。この結果より、システムが整定時間が早い、ロータが中心に行って、良い安定性がわかった。図83(b)は制御器設計するとき、仮想的な力制御入力を示す。この図より、ロータが平衡点のとき、対向した電磁石間の電磁石は零になり、その後、一瞬にインパルス外乱を入れると、外乱と等値な電磁力を同時に発生して、影響を打ち消した、良いロバスト性を有することがわかった。図84は、切換条件に基づいて、力制御入力から実際の制御電流に引き換えることを示す。ここで、i1とi3、i5とi7はロータの上部に対向している電磁石中の電流。i2とi4、i6とi8は下部の電磁石電流。0.05秒にインパルス外乱の影響で電流が急に発生した、再び零になることから、最終にシステムの消費電力が零になることを示す。図85〜図88は、回転速度を50Hz、100Hzに設定したときに対応しているそれぞれの制御器のシミュレーション結果。
5.1.3 Simulation FIG. 83 (a) shows the initial value from the touchdown to the equilibrium point and the impulse response when a disturbance of 50N is applied at 0.05 seconds. From this result, it can be seen that the stability of the system is fast, the rotor goes to the center and the stability is good. FIG. 83 (b) shows a virtual force control input when designing the controller. From this figure, when the rotor is at the equilibrium point, the electromagnet between the opposing electromagnets becomes zero, and then when an impulse disturbance is applied instantaneously, an electromagnetic force equivalent to the disturbance is generated simultaneously, canceling the influence, It was found to have good robustness. FIG. 84 shows that the actual control current is exchanged from the force control input based on the switching condition. Here, i 1 and i 3 , i 5 and i 7 are currents in the electromagnet facing the top of the rotor. i 2 and i 4 , i 6 and i 8 are the lower electromagnet currents. This shows that the current suddenly occurred due to the influence of the impulse disturbance at 0.05 seconds and becomes zero again, so that the power consumption of the system finally becomes zero. 85 to 88 are simulation results of respective controllers corresponding to the case where the rotation speed is set to 50 Hz and 100 Hz.
5.1.4 実験結果
実験では、用いた制御器はシミュレーションと完全に同じものである。制御器をコンパイルして、サンプリング時間は0.125msとする。DSPを用いて、4つの変位センサから、磁気軸受の位置情報をAD変換器を通して入手し、切換条件によって8つの制御電流に変換して、アンプに入り増幅された後アクチュエータを駆動して、実験を行う。実験での各装置の関係と行う方法を図89で説明している。
5.1.4 Experimental results In the experiment, the controller used is exactly the same as the simulation. Compile the controller so that the sampling time is 0.125 ms. Using the DSP, the position information of the magnetic bearing is obtained from the four displacement sensors through the AD converter, converted into eight control currents according to the switching conditions, and after entering the amplifier and driving the actuator, the experiment I do. FIG. 89 illustrates the relationship between each apparatus in the experiment and the method to be performed.
実験では、Z軸方向がもうPID制御されたと前提して、ロータはタッチダウン状態からの浮上と回転実験を行う。図90はロータが浮上する状況を示す。上はリサージュ波形であり、真ん中は位相のパワースペクトルである。そして、下はX軸方向の制御電流である。この図からみると、上側と下側両方とも中心の一点に収束し、定常偏差がなく、安定に浮上することがわかる。図91〜図97は、ロータが回転しているとき、各回転段階での軌跡、変位のパワースペクトルと制御電流である。結果より、上下部のロータ軌跡が中心に行ったり、戻ったり繰り返しているが、85Hzの回転周波数を超えて、5700rpmの回転速度に達した。さらに、図94と図95の制御電流から見ると、電流i1の谷はちょうど対向するi3の波の頂上である。すなわち、電流がきちんと切り換えしていることがわかる。しかし、ステップ応答が遅く、下部ロータの軌跡が大きくなることについて、ゲインのパラメータを調節し、下部制御入力を増大させるが、50Hz付近でジャイロ効果が出始め、安定性が悪くなった。 In the experiment, assuming that the Z-axis direction has already been PID-controlled, the rotor performs a floating and rotation experiment from the touchdown state. FIG. 90 shows a situation where the rotor floats. The top is a Lissajous waveform, and the middle is the phase power spectrum. Below is the control current in the X-axis direction. From this figure, it can be seen that both the upper side and the lower side converge to a central point, and there is no steady-state deviation, so that it rises stably. FIGS. 91 to 97 show the trajectory at each rotation stage, the power spectrum of the displacement, and the control current when the rotor is rotating. From the results, the upper and lower rotor trajectories went to the center, returned and repeated, but reached a rotational speed of 5700 rpm exceeding the rotational frequency of 85 Hz. Furthermore, when viewed from the control currents of FIGS. 94 and 95, the valley of the current i 1 is just the top of the opposite i 3 wave. That is, it can be seen that the current is switched properly. However, although the step response is slow and the locus of the lower rotor becomes larger, the gain parameter is adjusted and the lower control input is increased. However, the gyro effect starts to appear around 50 Hz, and the stability deteriorates.
5.2 実験結果の分析
図90〜図97の結果から、ロータを定常偏差なく、中心の平衡点に収束させることができ、電流もきちんと切り換えしていることがわかる。しかし、回転時には、上下部のロータ軌跡は中心に行ったり戻ったりして、97Hzでタッチダウンした。図97の軌跡から見ると、花びらのような軌跡が発生しており、それはジャイロ効果により後向き歳差運動が発生していると考えられる。つまり、回転速度が上がることによってジャイロ効果が強くなって安定性が崩れてしまったことがタッチダウンする原因と思われる。その問題を解決するため、ジャイロ効果を考慮したモデルを作った。
5.2 Analysis of Experimental Results From the results shown in FIGS. 90 to 97, it can be seen that the rotor can be converged to the center equilibrium point without steady deviation, and the current is properly switched. However, during rotation, the upper and lower rotor trajectories went back and forth to the center and touched down at 97 Hz. When viewed from the trajectory of FIG. 97, a trajectory like a petal is generated, which is considered to be a backward precession due to the gyro effect. In other words, it seems that the gyro effect is strengthened and the stability is lost due to the increase in the rotation speed, which is the cause of touchdown. In order to solve the problem, we made a model considering the gyro effect.
5.3 ジャイロ効果
磁気軸受を用いるロータは、比較的高速回転のものが多いので、ジャイロ効果が問題となる。ジャイロ効果というのは、高速フライホイールが傾き運動をするときに発生する作用である。この効果により、次の特徴的な性質が発生する。
5.3 Gyro effect Since many rotors using magnetic bearings rotate at a relatively high speed, the gyro effect is a problem. The gyro effect is an action that occurs when the high-speed flywheel performs a tilting motion. This effect causes the following characteristic properties.
・停止時には1つである固有振動数が前回り振れ回りモード(フォワードモード)と後回り振れ回りモード(バックワードモード)に2つに分かれ、ジャイロ効果の大小によって変化幅が決まる。 -When the motor is stopped, the natural frequency, which is one, is divided into a forward swing mode (forward mode) and a backward swing mode (backward mode), and the range of change is determined by the magnitude of the gyro effect.
・ロータのX、Y軸の振動が連成し、振れ回り軌跡が円に近くなる。このジャイロ効果より、ロータ系は磁気軸受にとって回転数に伴って振動特性が変化するとともに、X、Y方向が連成する制御対象となるので、磁気軸受の制御特性を決める上で大きな障害となる。 ・ The vibrations of the X and Y axes of the rotor are coupled, and the swing trajectory becomes close to a circle. Due to this gyro effect, the rotor system has a vibration characteristic that changes with the number of rotations for the magnetic bearing, and becomes a controlled object in which the X and Y directions are coupled, which is a major obstacle in determining the control characteristics of the magnetic bearing. .
ここで、ジャイロモーメントを詳しく解析する。まず、図98に示すように、フライホイールがX軸(Y軸)に向け撓んで、そして傾いたとき、自らのZ軸に沿って回っているので、Y軸(X軸)に関する回転モーメントを生じることである。この効果は、回転速度の増大に従って強くなっていく。結局は、フライホイールは前向き固有振動と後向き固有振動を有することになる。 Here, the gyro moment is analyzed in detail. First, as shown in FIG. 98, when the flywheel bends and tilts toward the X axis (Y axis), it rotates along its own Z axis. Is to occur. This effect becomes stronger as the rotational speed increases. Eventually, the flywheel will have a forward natural vibration and a backward natural vibration.
新しい座標系によると、角運動量の成分は次式で表される。
ここに、θx、θy、θzはフライホイールの角変位、IrはX軸、Y軸に関する慣性モーメント、IzはZ軸に関する極慣性モーメントである。空間に固定された座標系(x,y,z)に関して運動方程式を立てるので、角運動量の成分を固定座標系へ投影すると、その成分は図98より
となる。ただし、角度はすべて微小とした。角運動量の法則による式(5.7)を時間で微分して、さらにθz=−ωを代入すると、X軸、Y軸に関する回転モーメントは以下のように得られる。
ここで、−ωIzθy、ωIzθxの項はいわゆるジャイロ効果の影響を示すものである。 Here, the terms -ωI z θ y and ωI z θ x indicate the influence of the so-called gyro effect.
5.4 ジャイロ効果を考慮した場合のモデリング
ジャイロモーメントを考慮したロータの重心に対する運動方程式は式(5.9)である。
前節にも述べたようにモデルを簡単化して、最終のモデルは式(5.10)で示す。
式(5.10)によって状態方程式は以下のように表される。
ここで、x1、x2は変位と速度の状態量、制御入力Uは対向した電磁石間の吸引力差である。
そして、ジャイロ効果を考慮したモデリングに今のLQI制御器を適用して、根軌跡は図99に示す。 Then, the current LQI controller is applied to modeling in consideration of the gyro effect, and the root locus is shown in FIG.
この図から、回転速度が増加することにより閉ループの極はますます虚軸に近づくことがわかる。つまり、閉ループのA行列の固有値は回転速度により変わっていくLPVシステム(Linear Parameter Varying system)である。 From this figure, it can be seen that as the rotational speed increases, the closed-loop pole becomes closer to the imaginary axis. That is, the eigenvalue of the closed-loop A matrix is an LPV system (Linear Parameter Varying system) that changes depending on the rotational speed.
6.非線形制御器設計と性能検証2
6.1 ゲインスケジュール型スライディングモード制御系の設計
前章で求めたモデリングはLPVシステムである。このLPVシステムに対してゲインスケジュール型スライディングモード制御を提案する。
6). Nonlinear controller design and
6.1 Design of Gain Schedule Type Sliding Mode Control System The modeling obtained in the previous chapter is an LPV system. We propose gain-scheduled sliding mode control for this LPV system.
6.1.1 ゲインスケジュール型H∞制御超平面の設計
次の正準系システムのプラントモデルを考える。
とくに、制御システムをサーボ系と見なすとすれば、誤差信号は次のように表現できる。 In particular, if the control system is regarded as a servo system, the error signal can be expressed as follows.
e=r−Cx1 (6.2)
この制御系において、超平面を次式のように定義する。
e = r-Cx 1 (6.2)
In this control system, the hyperplane is defined as:
φ=S(x1)+x2 (6.3)
ここで、S(x1)はx1の線形オペレータである。定義された切換関数は従来の切換関数と比べると新しい状態変数zによるダイナミクスを有する。
φ = S (x 1 ) + x 2 (6.3)
Here, S (x 1 ) is a linear operator of x 1 . The defined switching function has a new state variable z dynamics compared to the conventional switching function.
z=F(w)z+G(w)e (6.4)
S(x1,z)=−H(w)−L(w)e (6.5)
そして、式(6.1)と式(6.5)を組み合わせると、拡大システムは次のように得られる。
S (x 1 , z) = − H (w) −L (w) e (6.5)
Then, by combining Equation (6.1) and Equation (6.5), the expansion system is obtained as follows.
また、式(6.3)から
x2=Hz−LCx1+Lr (6.8)
を得られる。よって、超平面上ではシステムの状態方程式は次式のように低次元化される。
Can be obtained. Therefore, on the hyperplane, the state equation of the system is reduced as follows.
時変パラメータを用いた制御系は図100のとおりである。 A control system using time-varying parameters is as shown in FIG.
しかし、実システムではジャイロ項はA22に入っているから、そのままでは適用できない。そこで、下のようなフィルタを使うことにする。 However, the gyro term in real systems because it entered the A 22, can not be applied as it is. Therefore, we will use the following filter.
1/(0.001s+1) (6.10)
プラントの状態空間モデルとフィルタを組み合わせると、次の拡大系を得る。
Combining the plant state-space model with the filter gives the following extended system:
そして、図100は図101のようになる。 FIG. 100 is as shown in FIG.
式(6.7)の超平面に対して、リアプノフ関数Vを次式のように定義する。 The Lyapunov function V is defined as in the following equation for the hyperplane of equation (6.7).
V=φTφ/2 (6.12)
閉ループ系を安定するために次式を満足しなければならない。
V = φ T φ / 2 (6.12)
In order to stabilize the closed loop system, the following equation must be satisfied.
V=φTφ<0 (6.13)
超平面上に状態が拘束されているとすると
φ=φ=0 (6.14)
上の式より、制御入力ueqは次のように与えられる。
If the state is constrained on the hyperplane, φ = φ = 0 (6.14)
From the above equation, the control input u eq is given as follows.
本研究では、L(ω)は0にする。さらに、式(6.3)により
式(6.16)で与えられる安定条件を満足する制御入力を次のように選ぶ。
ここで、非線形入力は次のように選ぶ。
6.1.2 コントローラの計算
式(6.15)の中のH(ω)、F(ω)、G(ω)、L(ω)つまり制御器をMATLABのLMIコントロールツールボックスを使用して設計した。LPVシステムのボード線図を図102に示す。ここで、一番目の入力対4つの出力のボード線図しか載せていないが、その他はほぼ同じため、省略する。破線は変動パラメータが最小値のプラントのボード線図、実線は変動パラメータが最大値のボード線図。
6.1.2 Controller calculation H (ω), F (ω), G (ω), and L (ω) in equation (6.15), ie, the controller, was designed using MATLAB's LMI control toolbox. . A Bode diagram of the LPV system is shown in FIG. Here, only the Bode diagram of the first input pair and the four outputs is shown, but the others are almost the same and are omitted. The broken line is the Bode diagram of the plant with the minimum variation parameter, and the solid line is the Bode diagram with the maximum variation parameter.
変動パラメータが最大値のプラントのボード線図から200Hz付近にピークがあるので、それに応じる重み関数とコントローラのボード線図を図103と図104に表す。 Since there is a peak in the vicinity of 200 Hz from the Bode diagram of the plant having the maximum variation parameter, the corresponding weight function and the Bode diagram of the controller are shown in FIGS.
6.2 シミュレーション結果
6.2.1 台形近似法によるリアルタイム離散系
制御器の離散化を行うため、連続時間での制御器のダイナミクスを離散時間でのダイナミクスで近似する必要がある。前節に設計した制御器について、サンプリング時間をTとし、時刻kTにおける状態をx(kT)=xkと表すことにする。また、時刻[kT,(k+1)T]において、スケジューリングパラメータα(t)および観測量y(t)は、時刻kTでの値で近似できると仮定する。すなわち、kT≦t<(k+1)Tにおいて
とできると仮定する。このときに、次の台形近似の定理が成り立つ。
この定理を証明すると、仮定より、時刻(k+1)Tにおける状態xk+1について
が成り立つ。この式を台形近似すると、
となる。さらに、時刻kTの項と(k+1)Tの項に分けると、
となる。ここで、
とおくと、式(6.24)は
と変形される。さて、今
が成立する。したがって、
が存在すれば、式(6.26)は
ここで、式(6.25)を適用すると、
となる。これより、
が導かれる。 Is guided.
また、式(6.21)も
が存在すれば、式(6.25)の関係を用いて、同様に導くことができる。図105は、タッチダウンから平衡点までの初期値応答と0.05秒に50N外乱を印加したときのインパルス応答を示す。さらに、0.1秒にバックステッピング制御器と同じようにロータ上部のX軸方向に0.02mm、Y軸方向に0.01mmの目標値を入れたステップ応答を示す。結果より、LQI制御器とほぼ同じ性能を有し、さらに、ステップ応答は速い。図106は、4個の切換関数は零になり、状態量が超平面に拘束されて、平衡点に拘束されたことを示す。外乱があるとき、切換関数が上がることが明らかにした。図107は仮想的な力制御入力であり、図108および図109はその力制御入力から切換法によって逆算した制御電流を示す。0.05秒と0.1秒の電流ピークはそれぞれのインパルス外乱とステップ信号で引き起こされている。 Can be derived in the same manner using the relationship of equation (6.25). FIG. 105 shows the initial value response from the touchdown to the equilibrium point and the impulse response when a 50N disturbance is applied for 0.05 seconds. Further, a step response in which a target value of 0.02 mm in the X-axis direction and 0.01 mm in the Y-axis direction of the upper part of the rotor is entered in 0.1 second as in the case of the backstepping controller. As a result, it has almost the same performance as the LQI controller, and the step response is fast. FIG. 106 shows that the four switching functions become zero and the state quantity is constrained to the hyperplane and constrained to the equilibrium point. It was clarified that the switching function goes up when there is a disturbance. FIG. 107 shows a virtual force control input, and FIGS. 108 and 109 show control currents calculated backward from the force control input by the switching method. The 0.05 second and 0.1 second current peaks are caused by respective impulse disturbances and step signals.
6.3 実験結果
さらに計算を簡単にするため、式(6.30)は
に変化する。しかし、次数が高いとサンプリング時間が短いため、DSPの演算が間に合わなくなって実験できなくなった。その問題に対して、MATLABで離散化してから凸補間するという方法を提案する。 To change. However, if the order is high, the sampling time is short, so that the DSP calculation is not in time and the experiment cannot be performed. To solve this problem, a method is proposed in which convex interpolation is performed after discretization with MATLAB.
前のシミュレーションと同じように図110はタッチダウンから平衡点までの初期値応答と0.05秒に50N外乱を印加したときのインパルス応答を示す。さらに0.1秒にバックステッピング制御器と同じようにロータ上部のX軸方向に0.02mm、Y軸方向に0.01mmの目標値を入れたステップ応答を示す。それと図105を比べて見たら、やはり離散化してから凸補間する方法の方に性能が若干悪くなってとくにステップ応答が遅れた。しかし、まだ許容範囲であると思われる。実験においては、制御器はシミュレーションの場合と完全に同じものを用いている。実験では、Z軸方向がもうPID制御されたと前提して、ロータはタッチダウン状態からの浮上と回転実験を行う。図111はロータが浮上する状況を示す。上はリサージュ波形であり、真ん中は位相のパワースペクトルである。そして、下はX軸方向の制御電流である。この図からみると、上側と下側両方とも中心の一点に収束し、定常偏差がなく、安定に浮上することがわかる。図112〜図120は、ロータが回転しているとき、各回転段階での軌跡、変位のパワースペクトルと制御電流である。 As in the previous simulation, FIG. 110 shows the initial value response from the touchdown to the equilibrium point and the impulse response when a 50N disturbance is applied for 0.05 seconds. Further, a step response is shown in which a target value of 0.02 mm in the X-axis direction and 0.01 mm in the Y-axis direction is entered in the upper portion of the rotor in 0.1 second as in the backstepping controller. Comparing this with FIG. 105, the performance of the method of convex interpolation after discretization was somewhat worse, and the step response was particularly delayed. However, it still seems to be acceptable. In the experiment, the same controller is used as in the simulation. In the experiment, assuming that the Z-axis direction has already been PID-controlled, the rotor performs a floating and rotation experiment from the touchdown state. FIG. 111 shows a situation in which the rotor floats. The top is a Lissajous waveform, and the middle is the phase power spectrum. Below is the control current in the X-axis direction. From this figure, it can be seen that both the upper side and the lower side converge to a central point, and there is no steady-state deviation, so that it rises stably. FIGS. 112 to 120 show the trajectory at each rotation stage, the power spectrum of the displacement, and the control current when the rotor is rotating.
6.4 実験結果の分析
確かに三角波のような形で、正負にスイッチングをしている。右側図は力制御入力から逆算した制御電流結果より、どんな回転周波数にしても、LQI制御器に比べると、電流もはっきりオン・オフしているし、円軌跡もきれいになっていることがわかる。さらに、図121に示す今回の根軌跡と図99と比べてみると、固定コントローラよりゲインスケジュール制御の方が根の動きが小さいことが見える。
6.4 Analysis of the experimental results Certainly switching is done in a positive and negative manner like a triangular wave. From the control current result calculated backward from the force control input, it can be seen that the current is clearly turned on and off, and the circular locus is clean, as compared with the LQI controller, at any rotational frequency. Further, comparing the current root locus shown in FIG. 121 and FIG. 99, it can be seen that the root movement is smaller in the gain schedule control than in the fixed controller.
以上の結果より、ゲインスケジュール型スライディングモード制御の安定性はLQI制御器より良くなっていることがわかった。けれども、LQI制御と同じように90Hzから安定性が悪くなって、100Hz付近ではタッチダウンした。前に残していた100Hzを超えない問題を解決していなかった。 From the above results, it was found that the stability of the gain schedule type sliding mode control is better than that of the LQI controller. However, as with the LQI control, the stability deteriorated from 90 Hz and touched down near 100 Hz. The problem of not exceeding 100 Hz that had been left before was not solved.
7.弾性モデルとPID制御
7.1 弾性モデリングの導入
剛性モデルでは、ジャイロ効果を無視した補償器を用いても、考慮した補償器を用いても、閉ループ系はともに安定であった。しかし、回転実験では、100Hz付近で不安定化している。この不一致の問題に対して、弾性曲げモードも考慮して考察する。弾性モデルの導出は有限要素法によって行う。フライホイールを集中質量として、ロータを図122のように8要素に分割する。要素2と3、要素7と8の間に電磁石が配置されている。ここで、減衰と不釣合い振動は考慮しないものとする。
7). Elastic Model and PID Control 7.1 Introduction of Elastic Modeling In the stiffness model, the closed loop system is stable regardless of whether the compensator that ignores the gyro effect or the compensator that considers it. However, in the rotation experiment, it is unstable near 100 Hz. This inconsistency problem will be considered in consideration of the elastic bending mode. The elastic model is derived by the finite element method. Using the flywheel as a concentrated mass, the rotor is divided into eight elements as shown in FIG. An electromagnet is disposed between the
図122のモデリングについて、ジャイロ効果を考慮したロータの運動方程式は次式となる。
Mは質量行列、Gはジャイロ反対称行列、Kは剛性行列、Uは制御入力ベクトル、Tは電磁石の設置場所を表す行列(M,G,K∈R36×36,T∈R36×4)、qは状態ベクトルである(q∈R36×1)。 M is a mass matrix, G is a gyro antisymmetric matrix, K is a stiffness matrix, U is a control input vector, and T is a matrix indicating an installation location of an electromagnet (M, G, K∈R 36 × 36 , T∈R 36 × 4 ), Q is a state vector (qεR 36 × 1 ).
まず、フリーフリーロータに対して、固有振動数と軸回転数の関係を図123で示す。曲げ一次モードの前向きと後向きは回転後大きな分岐をすることがわかった。このことから、曲げ一次弾性モードの後向き固有値は、ジャイロ効果の影響を強く受けて100Hz付近まで下がってきている。この結果、運搬線と後向きモードの交差周波数は100Hz付近で、ロータが100Hzを越えて回転すると、後向き曲げ一次共振点に接近していることがわかった。 First, FIG. 123 shows the relationship between the natural frequency and the shaft rotational speed for the free-free rotor. It was found that the forward and backward bending primary modes branch greatly after rotation. From this, the backward eigenvalue of the bending primary elastic mode is strongly influenced by the gyro effect and is lowered to around 100 Hz. As a result, it was found that the crossing frequency between the transport line and the backward mode is near 100 Hz, and when the rotor rotates beyond 100 Hz, it approaches the backward bending primary resonance point.
7.2 PID制御
求めた弾性モデリングは72次であり、モデルベースの制御を実現できない。そのため、非モデルベースのPID制御を提案する。ブロック線図は図124に示す。
7.2 PID Control The obtained elastic modeling is 72nd order, and model-based control cannot be realized. Therefore, we propose non-model based PID control. A block diagram is shown in FIG.
PID1はシステムを安定することを図るコントローラである。すなわち、PID1の制御でタッチダウン状態から浮上する状態になる。ジャイロ効果を考慮すれば、X、Y方向がお互いに干渉する。PID2はX、Y方向の信号を交差してフィードバックするというクロスフィードバックコントローラである。つまり、システムが安定する上ジャイロ効果を補償するためにお互いに干渉する信号をクロスフィードバックさせている。用いたPID制御器のボード線図を図125に示す。 PID1 is a controller that aims to stabilize the system. That is, the state of rising from the touchdown state is controlled by the control of PID1. Considering the gyro effect, the X and Y directions interfere with each other. PID2 is a cross-feedback controller that crosses and feeds back signals in the X and Y directions. That is, signals that interfere with each other are cross-feedbacked to compensate for the gyro effect, which stabilizes the system. A Bode diagram of the PID controller used is shown in FIG.
7.2.1 PID制御の実験結果
図126はロータが90Hzで回転している状況を示す。上はリサージュ波形であり、真ん中は位相のパワースペクトルである。そして、下はX軸方向の制御電流である。この図から見ると、上側と下側両方とも中心の一点に収束し、定常偏差がなく、安定に浮上することがわかる。図127〜図133は、ロータが回転しているとき、各回転段階での軌跡、変位のパワースペクトルと制御電流である。
7.2.1 PID Control Experimental Results FIG. 126 shows the situation where the rotor is rotating at 90 Hz. The top is a Lissajous waveform, and the middle is the phase power spectrum. Below is the control current in the X-axis direction. From this figure, it can be seen that both the upper side and the lower side converge to one point in the center, and there is no steady deviation, and the surface rises stably. 127 to 133 are the locus, the power spectrum of the displacement, and the control current at each rotation stage when the rotor is rotating.
7.2.2 実験結果の分析
PID制御の結果を見ると、固定コントローラであるため円軌跡と電流の形がどっちでもきれいではないけれども、回転速度が前より30Hzくらい上がった。クロスフィードバックコントローラがある程度に弾性後向き一次モードの影響を補償していることがわかった。130Hzまで増速できるPIDコントローラにより、低次元化した弾性モデルのシミュレーションと実験の比較を図134に示す。実線が回転数が0Hzに設定した弾性モデルのシミュレーションであり、破線がPID制御器で浮上時実験データである。両方とも、0.037秒に0.1*10−4mのステップ信号を入れてその応答を見る。
7.2.2 Analysis of experimental results Looking at the results of PID control, although it is a fixed controller, the circular trajectory and the shape of the current are not clean, but the rotational speed has increased by about 30 Hz from the previous. It was found that the cross-feedback controller compensated for the effect of the elastic backward-facing primary mode to some extent. FIG. 134 shows a comparison between simulation and experiment of a reduced-order elastic model using a PID controller capable of increasing the speed to 130 Hz. The solid line is the simulation of the elastic model in which the rotation speed is set to 0 Hz, and the broken line is the experimental data when flying with the PID controller. Both have a step signal of 0.1 * 10 −4 m at 0.037 seconds and see the response.
さらに、右下の図を拡大して図135に示す。 Furthermore, the lower right figure is enlarged and shown in FIG.
図135が示した高周波数の振動が弾性モードと思われ、数えてみると170Hzくらいになっており、図123の一番上の弾性曲げ一次モードの0Hzのときの初期値とほぼ一致しているが、ステップ応答の結果からシミュレーションと実験結果に一致しないことが発生しており、これについても考察を行う。図136は今の入力を0.2倍にしたシミュレーション結果である。 The high-frequency vibration shown in FIG. 135 seems to be an elastic mode, which is about 170 Hz when counted, which is almost the same as the initial value of the uppermost elastic bending primary mode in FIG. 123 at 0 Hz. However, the result of the step response does not match the simulation and the experimental result, and this is also considered. FIG. 136 shows a simulation result when the current input is multiplied by 0.2.
この図から見ると、制御入力を0.2倍にすると実験結果がほぼ一致することがわかる。さらに、全入力と制御入力0.2倍にする閉ループの0Hzから150Hzまでの根軌跡を図137と図138に示す。 From this figure, it can be seen that the experimental results almost coincide with each other when the control input is increased by a factor of 0.2. Further, FIG. 137 and FIG. 138 show the root locus from 0 Hz to 150 Hz of the closed loop in which the total input and the control input are 0.2 times.
2つの図を比較して見ると、全入力の方に剛性一次モードは65Hzであり、剛性二次モードは80Hzである。弾性一次曲げ一次モードに対応する根は虚軸に近づくが、全然安定の領域である。それは実験結果と一致しない所である。逆に0.2倍入力の場合は、剛性一次モードが25Hzくらいであり、剛性二次モードが見えない。それと図135の実験データを一致する。さらに、140Hzになると、弾性一次曲げモードに対応根が虚軸に近すぎで、安定性が悪くなる。それも実験の方に一致する。しかし、なぜ働いている入力が実際の0.2倍しかないのかがまだ考察中である。おそらく、ハードウェアとか電気系とかの問題と思われる。 Comparing the two figures, the rigid primary mode is 65 Hz and the rigid secondary mode is 80 Hz for all inputs. The root corresponding to the elastic primary bending primary mode approaches the imaginary axis, but is a completely stable region. That is where the experimental results do not agree. Conversely, when the input is 0.2 times, the rigid primary mode is about 25 Hz, and the rigid secondary mode cannot be seen. It agrees with the experimental data of FIG. Furthermore, at 140 Hz, the root corresponding to the elastic primary bending mode is too close to the imaginary axis, and stability is deteriorated. That is also consistent with the experiment. However, it is still under consideration why the working input is only 0.2 times the actual input. Probably a hardware or electrical problem.
8.まとめ
本論文では、磁気軸受支持型電力貯蔵フライホイールの制御に関する研究を行った。大きなフライホイールが付けられているので、きわめて不安定なシステムである。従来の方法では、ロータが平衡点に達しても、バイアス電流を流さなければならないので、消費電流が大きくなる。大変位のとき、制御性能が悪くなるという欠点がある。この問題に対して、本研究はバイアス電流を使わないで、非線形を有したまま、現代制御の非線形理論に基づいて、制御器を設計、有効性を検証した。
8). Summary In this paper, we studied the control of a magnetic bearing supported power storage flywheel. The system is extremely unstable due to the large flywheel. In the conventional method, even if the rotor reaches the equilibrium point, a bias current must be supplied, so that current consumption increases. There is a drawback that the control performance is deteriorated when the displacement is large. In order to solve this problem, this study designed a controller based on the nonlinear theory of modern control and verified its effectiveness, without using bias current and maintaining nonlinearity.
本研究においては、まず、線形2次形式評価規範によるサーボ付き最適レギュレータ制御器を設計して、シミュレーションから、良い結果が得られたが、実験の結果からロータを定常偏差なく、中心の平衡点に収束させることができ、電流もきちんと切り換えしていることがわかる。しかし、回転時には、上下部のロータ軌跡は中心に行ったり戻ったりして、93Hzでタッチダウンした。図97の軌跡から見ると、花びらのような軌跡が出てきた。それはジャイロ効果による後向き歳差運動軌跡と考えられる。つまり、回転速度が上がることによってジャイロ効果が強くなって安定性が崩れてしまったことがタッチダウンする原因と思われる。その問題を解決するため、ジャイロ効果を考慮したモデルを作った。そして、ジャイロ効果を考慮したモデリングに今のLQI制御器を適用して、図99に示した根軌跡から回転速度が増加することにより閉ル−プの極はますます虚軸に近づくことがわかる。つまり、閉ループのA行列の固有値は回転速度により変わっていくLPVシステム(Linear Parameter Varying system)であり、固定コントローラも補償できないことがわかる。このLPVシステムに対してゲインスケジュール型スライディングモード制御を提案する。スライディングモードの超平面がスケジューリングして状態量を常に変動している超平面に収束させて安定性を図る方法である。その実験結果とLQI制御を比べてみると、きれいな軌跡となっており、非同期成分が消えている。電流信号も規則的な信号となっている。ジャイロ効果を補償すると安定性がアップしたことがわかる。しかし、LQIと同じように100Hz付近では安定性が悪くなって、タッチダウンしてしまった。本システムは100Hzのところに弾性モードの共振点が出てきた。弾性モードを考慮していないLQIコントローラおよびゲインスケジュール型スライディングモードコントローラがその共振点にぶつかって安定性が崩れて、タッチダウンしてしまう。弾性モデリングを実行したが、次数が高いため、モデルベースの制御を実現できない。そこで、非モデルベースのPID制御で130Hzまで増速できたが、PIDコントローラの閉ループ系と、低次元化した弾性モデルのシミュレーションと実験の結果が一致しないという問題がある。制御入力を元の0.2倍にすると実験とよく一致したが、なぜこのようにすると合致するのか検討中である。ハードウェアおよび電気系の問題と思われる。今後の課題としては以下のようになる。 In this research, we first designed an optimal regulator controller with servo based on linear quadratic evaluation criteria, and obtained good results from simulations. It can be seen that the current is switched properly. However, during rotation, the upper and lower rotor trajectories went back and forth to the center and touched down at 93 Hz. Seen from the locus in FIG. 97, a locus like a petal came out. It is considered as a backward precession trajectory due to the gyro effect. In other words, it seems that the gyro effect is strengthened and the stability is lost due to the increase in the rotation speed, which is the cause of touchdown. In order to solve the problem, we made a model considering the gyro effect. Then, by applying the current LQI controller to modeling that takes into account the gyro effect, it can be seen that the pole of the closed loop becomes closer to the imaginary axis as the rotational speed increases from the root locus shown in FIG. . That is, it can be seen that the eigenvalue of the closed-loop A matrix is an LPV system (Linear Parameter Varying system) that changes depending on the rotation speed, and the fixed controller cannot compensate. We propose gain-scheduled sliding mode control for this LPV system. In this method, the sliding mode hyperplane schedules and converges the state quantity to the constantly changing hyperplane to achieve stability. Comparing the experimental results with the LQI control, it has a clean trajectory and the asynchronous component disappears. The current signal is also a regular signal. It can be seen that the stability is improved by compensating the gyro effect. However, like LQI, the stability deteriorated near 100 Hz, and the touchdown occurred. In this system, an elastic mode resonance point appears at 100 Hz. The LQI controller and the gain schedule type sliding mode controller that do not consider the elastic mode collide with the resonance point, and the stability is lost and the touchdown occurs. Although elastic modeling was performed, model-based control cannot be realized due to the high degree. Therefore, although the speed can be increased up to 130 Hz by non-model-based PID control, there is a problem that the simulation result of the closed loop system of the PID controller and the simulation of the reduced-order elastic model do not coincide with the experimental results. When the control input was increased to 0.2 times the original value, it was in good agreement with the experiment, but we are currently investigating why this is the case. It seems to be a hardware and electrical problem. Future issues are as follows.
1.PIDコントローラをもっとチューニングする。上下のバランスを良くして、さらに周波数によって切り換えして200Hzまで増速する。 1. Tune the PID controller more. The balance between the top and bottom is improved, and the speed is increased to 200 Hz by switching according to the frequency.
2.実験結果とシミュレーションの一致しない原因を調べる。低次化した弾性モデルを修正して、ゲインスケジュール型スライディングモード制御系を設計する。 2. Investigate the cause of discrepancy between experimental results and simulation. A gain schedule type sliding mode control system is designed by modifying the reduced elastic model.
磁気軸受装置の全体構成あるいは各部の構成、制御の方法などは、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。 The overall configuration of the magnetic bearing device, the configuration of each part, the control method, and the like are not limited to those of the above-described embodiment, and can be changed as appropriate.
(1) 機械本体
(2) コントローラ
(4) 回転体
(4a) フライホイール
(5) アキシアル磁気軸受
(6)(7) ラジアル磁気軸受
(8) 変位検出部
(9) 電動モータ
(10) 回転センサ
(11)(12) 保護軸受
(25) アキシアル変位センサ
(26)(27) ラジアル変位センサユニット
(28a)(28b) アキシアル電磁石
(29a)(29b)(29c)(29d)(30a)(30b)(30c)(30d) ラジアル電磁石
(31a)(31b)(31c)(31d)(32a)(32b)(32c)(32d) ラジアル変位センサ
(1) Machine body
(2) Controller
(4) Rotating body
(4a) Flywheel
(5) Axial magnetic bearing
(6) (7) Radial magnetic bearing
(8) Displacement detector
(9) Electric motor
(10) Rotation sensor
(11) (12) Protective bearing
(25) Axial displacement sensor
(26) (27) Radial displacement sensor unit
(28a) (28b) Axial electromagnet
(29a) (29b) (29c) (29d) (30a) (30b) (30c) (30d) Radial electromagnet
(31a) (31b) (31c) (31d) (32a) (32b) (32c) (32d) Radial displacement sensor
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102011799A (en) * | 2010-12-01 | 2011-04-13 | 北京奇峰聚能科技有限公司 | High-reliability energy storage flywheel magnetic bearing digital control system |
JP2012113676A (en) * | 2010-11-29 | 2012-06-14 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | Configuring method, system, and program for controller |
JP2013068309A (en) * | 2011-09-26 | 2013-04-18 | Daikin Industries Ltd | Magnetic bearing and compressor using the same |
CN103883621A (en) * | 2012-12-21 | 2014-06-25 | 北京奇峰聚能科技有限公司 | Magnetic bearing control circuit for magnetic suspension energy-storage flywheel and control method thereof |
US9329584B2 (en) | 2011-12-15 | 2016-05-03 | International Business Machines Corporation | Method, system and program for constructing a controller |
CN114123921A (en) * | 2021-11-26 | 2022-03-01 | 广东美的暖通设备有限公司 | Vibration frequency determination method, device, compressor system and readable storage medium |
CN114696527A (en) * | 2022-04-08 | 2022-07-01 | 安徽微特电机科技有限公司 | High-speed motor with axial force balance structure |
JP2023040995A (en) * | 2021-09-10 | 2023-03-23 | 南京工程学院 | On-vehicle flywheel dynamic modeling method based on data driven and mechanism model combination |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6235114A (en) * | 1985-08-08 | 1987-02-16 | Koyo Seiko Co Ltd | Control method for 5 degree of freedom type magnetic bearing |
JPH09126237A (en) * | 1995-10-27 | 1997-05-13 | Seiko Seiki Co Ltd | Controller for magnetic bearing |
JPH09126238A (en) * | 1995-10-27 | 1997-05-13 | Seiko Seiki Co Ltd | Controller for magnetic bearing |
JPH10220475A (en) * | 1997-02-06 | 1998-08-21 | Seiko Seiki Co Ltd | Magnetic bearing device using lmi-based gain schedule control |
JPH1122730A (en) * | 1997-07-04 | 1999-01-26 | Koyo Seiko Co Ltd | Magnetic bearing and magnetic bearing unit |
JPH11110003A (en) * | 1997-10-02 | 1999-04-23 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Design method for vehicle control system |
JPH11328239A (en) * | 1998-05-13 | 1999-11-30 | Fujitsu Ltd | Control system analysis and design device and control system analysis and design processing method |
JP2003345403A (en) * | 2002-05-28 | 2003-12-05 | Osaka Industrial Promotion Organization | Method and device for designing, method, device and system for controlling, computer program and recording medium |
JP2006046600A (en) * | 2004-08-06 | 2006-02-16 | Koyo Seiko Co Ltd | Magnetic bearing unit and flywheel energy storage device provided with it |
-
2006
- 2006-08-18 JP JP2006222950A patent/JP5445887B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6235114A (en) * | 1985-08-08 | 1987-02-16 | Koyo Seiko Co Ltd | Control method for 5 degree of freedom type magnetic bearing |
JPH09126237A (en) * | 1995-10-27 | 1997-05-13 | Seiko Seiki Co Ltd | Controller for magnetic bearing |
JPH09126238A (en) * | 1995-10-27 | 1997-05-13 | Seiko Seiki Co Ltd | Controller for magnetic bearing |
JPH10220475A (en) * | 1997-02-06 | 1998-08-21 | Seiko Seiki Co Ltd | Magnetic bearing device using lmi-based gain schedule control |
JPH1122730A (en) * | 1997-07-04 | 1999-01-26 | Koyo Seiko Co Ltd | Magnetic bearing and magnetic bearing unit |
JPH11110003A (en) * | 1997-10-02 | 1999-04-23 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Design method for vehicle control system |
JPH11328239A (en) * | 1998-05-13 | 1999-11-30 | Fujitsu Ltd | Control system analysis and design device and control system analysis and design processing method |
JP2003345403A (en) * | 2002-05-28 | 2003-12-05 | Osaka Industrial Promotion Organization | Method and device for designing, method, device and system for controlling, computer program and recording medium |
JP2006046600A (en) * | 2004-08-06 | 2006-02-16 | Koyo Seiko Co Ltd | Magnetic bearing unit and flywheel energy storage device provided with it |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
JPN6012058345; ステファン・ゲヒター,亀野浩徳: 'ゼロバイアス電流制御型磁気軸受のフライホイールエネルギー貯蔵システムへの応用' Koyo ENGINEERING JOURNAL No.165 , 200403, 第25〜31頁, 光洋精工株式会社 * |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012113676A (en) * | 2010-11-29 | 2012-06-14 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | Configuring method, system, and program for controller |
CN102011799A (en) * | 2010-12-01 | 2011-04-13 | 北京奇峰聚能科技有限公司 | High-reliability energy storage flywheel magnetic bearing digital control system |
JP2013068309A (en) * | 2011-09-26 | 2013-04-18 | Daikin Industries Ltd | Magnetic bearing and compressor using the same |
CN103827526A (en) * | 2011-09-26 | 2014-05-28 | 大金工业株式会社 | Electromagnetic bearing and compressor using same |
US9660499B2 (en) | 2011-09-26 | 2017-05-23 | Daikin Industries, Ltd. | Compressor having biased controlled magnetic bearings |
US9329584B2 (en) | 2011-12-15 | 2016-05-03 | International Business Machines Corporation | Method, system and program for constructing a controller |
CN103883621A (en) * | 2012-12-21 | 2014-06-25 | 北京奇峰聚能科技有限公司 | Magnetic bearing control circuit for magnetic suspension energy-storage flywheel and control method thereof |
JP2023040995A (en) * | 2021-09-10 | 2023-03-23 | 南京工程学院 | On-vehicle flywheel dynamic modeling method based on data driven and mechanism model combination |
JP7311189B2 (en) | 2021-09-10 | 2023-07-19 | 南京工程学院 | Automotive Flywheel Dynamic Modeling Method Based on Combination of Data-Driven and Mechanism Models |
CN114123921A (en) * | 2021-11-26 | 2022-03-01 | 广东美的暖通设备有限公司 | Vibration frequency determination method, device, compressor system and readable storage medium |
CN114696527A (en) * | 2022-04-08 | 2022-07-01 | 安徽微特电机科技有限公司 | High-speed motor with axial force balance structure |
CN114696527B (en) * | 2022-04-08 | 2023-06-23 | 安徽微特电机科技有限公司 | High-speed motor with axial force balance structure |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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