基于模型确认的磁悬浮轴承转子系统建模及响应预测方法

The Active Magnetic Bearing (AMB) rotor system is one of the most typical and complex Electromechanical systems. The dynamic performance, stability and reliability of the AMB-Rotor system are the key technologies in the research. Presently, the subsystems of the AMB-Rotor, such as the magnetic system, control system and rotor dynamic are mostly modeled and simulated separately, which will ignore or weaken the coupling and influence between the subsystems. Without the integral modeling and collaborative design, the subsystems of AMB-Rotor system cannot compatible well and optimization. This project will develop an integral modeling and simulation method. With this method, the electro-mechanical integration model which can subscribe the overall character of the AMB-Rotor will be built. There are kinds of model errors and uncertainties when we build the electro-mechanical integration model of the AMB-Rotor system. To deal with the uncertainties, model validation method will be used to build the precise model of the subsystems by divided into layers. The validated integration model can predict the dynamic response of the whole system or the key parts in the system. Also, the credibility of the prediction will be given which can provide reliable model for the global design and optimization of the system. The research will promote the use of model validation technology in the integral modeling and simulation of complex electromechanical system.

主动磁悬浮轴承转子系统是最具代表性的复杂机电系统之一。磁轴承转子系统的动力学特性、运行稳定性和可靠性是磁悬浮轴承技术的关键。目前对磁悬浮轴承转子系统的仿真多数是对磁力系统、控制系统和机械转子结构分别进行建模仿真，忽略或弱化了子系统之间的耦合或相互影响，难以支撑系统统一建模和协同设计，无法将各子系统进行更好的匹配和优化。本项目研究一种全局建模仿真的系统设计方法，同时对磁轴承各子系统进行机电一体化的整体联合建模，描述磁轴承系统的全局特性。由于磁轴承系统存在建模误差以及实际运行过程中的一些不确定性因素，本项目将以模型确认技术为支撑，采用系统分层的建模策略，在考虑各种不确定性的基础上对各子系统进行整体联合建模，最后给出整个系统及关键部件动态特性的响应预测及其可信度，为磁轴承系统的顶层设计和优化提供可信的模型。本项目的研究将推动模型确认技术在复杂机电系统建模仿真中进一步的发展和应用。

主动磁悬浮轴承转子系统是具代表性的复杂机电系统之一。磁轴承转子系统的动力学特性、运行稳定性和可靠性是磁悬浮轴承技术的关键。本项目研究一种全局建模的系统仿真方法，同时对磁轴承各子系统进行机电一体化的整体联合建模，描述磁轴承系统的全局特性。研究内容包含系统的整体建模，转子结构及磁场有限元仿真以及控制系统仿真，相关物理试验，不确定性分析及其确认，典型工况的响应预测，基准系统试验台研制等。项目研究实现了各个子系统单独精确建模。实现了基于多学科软件的磁悬浮悬臂梁结构和磁悬浮轴承转子系统联合建模仿真；在整体联合仿真的基础上，研究了基于试验频率响应函数的全局模型修正技术,得到精度较高的全局仿真模型。对磁悬浮轴承转子系统，研究了使用模态频率与MAC作为修正目标的转子结构模型修正方法；基于不平衡响应的磁悬浮轴承电磁力动态特性辨识方法；提出了基于传递矩阵的转子支承刚度阻尼辨识方法和基于瞬态时域响应修正方法的磁轴承刚度阻尼不确定性识别方法。研究了用于模型确认的各种代理模型建模方法和标量响应的模型确认适用准则。进行单个磁悬浮支承刚度的非线性及不确定性识别方法研究，预测了控制下的悬臂梁结构在受到扫频激励下频率响应，与试验测试结果吻合较好。对磁悬浮机电系统全局灵敏度分析方法和响应预测方法进行了研究，并结合试验的参数不确定性分布和估计的参数不确定性分布，对全局机电系统的模态频率进行响应预测。研究了磁悬浮轴承系统支承动刚度特性的非线性特征和不确定性，借助于响应面模型研究了参数的不确定性正反向传递过程，并进行了模态响应预测。.本项目研究成果将推动模型确认技术在复杂机电系统中的进一步发展和应用，例如使用磁悬浮轴承系统施加动态电磁力进行转子故障诊断应用；项目研究的模型确认方法和其中的刚柔耦合联合建模、模型修正方法在高速列车系统仿真中得到应用；转子系统联合建模方法将在新一代直升机旋翼试验台转子系统设计项目中得到推广。