答辩博士：关旭东
指导老师：周 瑾 教授/博导
论文题目：磁悬浮流体机械喘振控制及其稳定运行方法研究
答辩委员会：
主席：张 琦 教授/博导 中国人民解放军陆军工程大学
委员：费庆国 教授/博导 东南大学
高铁瑜 教授/博导 西安交通大学
朱如鹏 教授/博导 南京航空航天大学
臧朝平 教授/博导 南京航空航天大学
岳 林 教授/博导 南京航空航天大学
周 瑾 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陆俊华 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2020年09月17日 09：00
答辩地点：南航明故宫校区15-341
学位论文简介：
磁悬浮轴承通过主动控制可实现对转子无机械接触支承，具有无摩擦磨损、效率高、可主动调节等优点。本文以磁悬浮流体机械的喘振控制和平稳运行为研究目标，从磁悬浮流体机械建模与喘振控制仿真、磁悬浮流体机械喘振信号检测、磁悬浮轴承转子系统抗扰动控制方法和磁悬浮鼓风机喘振控制现场实验等四方面开展了相关研究工作。
论文的主要研究工作包括：
（1）推导了流体机械系统Greitzer模型，进行了磁悬浮流体机械喘振控制仿真。建立了叶尖间隙调压模型，并进行了调压模型的线性化分析。为便于控制器设计和控制理论分析，对非线性的Greitzer系统模型进行了线性化处理，验证了线性化模型具有较高的精度。采用了质量流量的反馈控制策略，将轴向磁悬浮轴承-转子系统闭环扫频模型作为作动器进行喘振控制的仿真。分析了不同控制参数对喘振控制的影响规律，并分别研究了不同节流阀开度和不同扰动信号作用下的喘振控制效果。
（2）开展了磁悬浮流体机械喘振检测的仿真与实验。首先，分析了喘振信号影响转子位移信号的过程，指出可通过对磁悬浮流体机械转子位移信号的频率与幅值辨识实现喘振检测。然后，将SOGI-FLL方法引入磁悬浮流体机械喘振检测中。针对实际中存在高频及谐波干扰，提出采用幅值和频率归一化的SOGI-FLL-WPF方法进行喘振检测，从而实现在存在干扰的情况下进行喘振信号的检测，并分别通过仿真和实验对比验证了该方法的有效性。分别对105 kW和150 kW MSCB进行逼喘，进而实施了喘振信号检测实验。
（3）提出了基于ACAC与扩张状态观测器联合作用的磁悬浮轴承系统控制方法，并设计了相应的控制器，以提高磁悬浮轴承转子系统的抗扰动性能。对磁悬浮轴承系统进行了机电一体化建模，包括磁悬浮轴承转子系统的径向四自由度模型及轴向磁悬浮轴承转子单自由度模型。分析了ACAC控制参数的调节规律，并给出了扩张状态观测器的参数调节原则及其扰动估计和补偿性能分析。在五自由度磁悬浮轴承转子试验台进行了不同参考轨迹的跟踪研究。
（4）以105 kW磁悬浮离心式鼓风机为研究对象，进行了喘振控制现场实验，验证了本文提出的控制方法的有效性。首先，进行了105 kW磁悬浮离心式鼓风机特性曲线的测试，并通过调整不同间隙获得了不同间隙下的压力测试结果，验证了通过调节叶轮间隙实施喘振控制的可行性。然后，通过模拟喘振进一步验证了自动变换悬浮位置的喘振控制策略。最后，基于SOGI-FLL-WPF与TD联合控制实现了喘振控制的模拟实验与现场实验。由实验结果可以看出，基于喘振检测与自动变换轴向悬浮位置的喘振控制方法提高了磁悬浮鼓风机的稳定运行范围。
主要创新点：
（1）以轴向磁悬浮轴承系统为作动器，对磁悬浮流体机械喘振控制进行了仿真研究，建立了流体机械系统模型，推导了指导叶轮轴向悬浮位置变化的叶尖间隙调压模型。在磁悬浮喘振控制器作用下，可有效扩展流体机械的稳定运行范围。
（2）提出采用幅值和频率归一化且带有预滤波器的二阶广义积分-锁频环进行喘振检测，从而实现存在干扰情况下的喘振检测。针对转子轴向位移信号受转子径向转速同频信号影响大的情况，提出对转子轴向位移信号陷波转速同频量后再进行喘振检测。
（3）提出了基于特征模型自适应与扩张状态观测器联合作用的磁悬浮轴承系统控制方法，并设计了相应的控制器，适用于抑制喘振信号等低频扰动，可有效提高磁悬浮轴承转子系统的抗扰动性能。
（4）提出将喘振检测和喘振控制相结合的磁悬浮流体机械喘振控制策略，将喘振检测结果引入喘振控制中以实现转子轴向悬浮位置的自动变换。基于幅值和频率归一化且带有预滤波器的二阶广义积分-锁频环与跟踪微分器联合实现了磁悬浮鼓风机的喘振控制。
