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大型多支承旋转轴系低频振动主动控制模拟研究

作　者: 于镒隆
导　师: 张俊红
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 低频振动主动控制多支承大型旋转轴系弯扭振动最优控制
分类号: TK268.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文以200/300MW汽轮机转子实验模型轴系为对象,以数学理论分析、计算机仿真、实验验证为手段,研究大型多支承单轴低频弯曲振动、扭转振动的主动控制问题,具体涉及多支承轴系振动特性分析、振动主动控制理论分析、控制系统设计、执行系统设计、主动控制实验系统设计、轴系振动低阶模态实验分析。首先,阐述大型轴系低频振动及其控制问题的国内外研究现状与发展趋势。然后,在建立多支承轴系弹性动力学模型基础上,利用动力学数值仿真方法与有限元方法分析低频振动特性,弄清轴系振动的低阶固有频率及其振型,并分析几种典型激励下的响应特性。接着,分析几种现代控制理论的控制特点,针对模型轴系建立集中质量模型,结合其振动特性,探讨最优控制理论在多支承轴系低频弯扭振动主动控制中的应用,导出系统状态空间模型,运用LQ/LQG算法确定控制律,设计模型轴系低频振动最优控制系统,并对其进行模拟控制的仿真分析。其次,为配合主动控制模拟实验与工程应用模拟研究的需要,研制主动控制执行机构,即采用高频响动圈式电磁开关阀,创造性地设计能对大型轴系弯曲振动、扭转振动施加广义主动控制力的电液式周向加载执行系统,并分析该执行系统动力响应特性与电磁特性。最后,在模型轴系低频振动特性、控制器、执行器特性研究基础上,设计轴系低频振动主动控制实验系统,介绍系统结构组成与仪器装备。另外,依据需要,研究中适当安排模型轴系模态实验研究,并对实验数据进行分析和处理。本文主要解决三个关键技术问题,一是现代控制理论在轴系低频振动控制中应用问题,二是新型执行器的开发设计问题,三是轴系低频弯振、扭振主动控制实验系统设计问题。大型轴系低频振动的特点是激励能量大,系统输入随机,响应不稳定。运用主动控制技术来解决轴系的弯扭振动问题是一种较理想的方法,从理论上和技术上都是可行的,只是要应用到工程实际中还有诸多深入细致的问题有待研究。但可以预见,该项技术的工程应用,将能产生巨大社会效益和经济效益。

全文目录

摘要  3-6
目录  6-8
图表索引  8-10
第一章绪论  10-19
  1.0 引言  10-11
  1.1 国内外轴系振动研究概况  11-15
  1.2 轴系振动研究的发展趋势  15-17
  1.3 本文任务与具体研究内容  17-19
第二章轴系低频振动特性研究  19-41
  2.0 引言  19
  2.1 连续质量模型  19-21
  2.2 弯振特性研究  21-31
    2.2.1 模型轴系弯振特性研究概述  21
    2.2.2 模型轴系弯振数学模型  21-22
    2.2.3 自由弯振模态分析  22-26
    2.2.4 强迫弯振响应分析  26-31
  2.3 扭振特性研究  31-39
    2.3.1 模型轴系扭振特性研究概述  31-32
    2.3.2 模型轴系扭振数学模型  32
    2.3.3 自由扭振模态分析  32-35
    2.3.4 强迫扭振响应分析  35-39
  2.4 本章小节  39-41
第三章振动主动控制理论及其控制器设计  41-68
  3.0 引言  41
  3.1 振动主动控制理论探讨  41-45
    3.1.1 控制理论的发展与轴系振动控制  41-42
    3.1.2 最优控制理论  42-45
  3.2 被控系统的状态空间描述  45-56
    3.2.1 轴系结构数学模型  45-48
    3.2.2 系统运动微分方程  48-52
    3.2.3 系统方程  52-55
    3.2.4 系统的可控性可观性与稳定性  55-56
  3.3 轴系振动线性高斯二次型最优控制  56-66
    3.3.1 最优控制性能指标  56-58
    3.3.2 最优控制器设计  58-62
    3.3.3 最优控制律下系统仿真  62-66
  3.4 本章小结  66-68
第四章执行系统设计  68-81
  4.0 引言  68
  4.1 执行系统构成  68-71
  4.2 技术方案与实施方式  71-74
    4.2.1 执行系统结构与原理  71-73
    4.2.2 执行系统具体工作过程与状态  73-74
  4.3 执行系统特性研究  74-80
    4.3.1 喷射控制阀动力特性  74-77
    4.3.2 轴承喷射口喷射特性  77-80
  4.4 本章小结  80-81
第五章振动实验研究  81-93
  5.0 引言  81
  5.1 主动控制实验系统设计与构成  81-86
    5.1.1 模型转子轴系  82-83
    5.1.2 振动激励系统  83-85
    5.1.3 主动控制执行系统  85-86
    5.1.4 测试和分析系统  86
  5.2 轴系模态实验  86-91
    5.2.1 模态实验用测试仪器  88
    5.2.2 测试仪器系统示意图  88-89
    5.2.3 轴测点布置示意图  89
    5.2.4 预试验  89
    5.2.5 时间历程测量  89-90
    5.2.6 典型频响函数图  90-91
    5.2.7 模态参数的识别及振型的特点分析  91
  5.3 本章小结  91-93
第六章结论与展望  93-98
  6.1 本文研究结论  93-96
    6.1.1 低频振动特性研究  93-94
    6.1.2 低频振动主动控制研究  94-95
    6.1.3 设计开发新型执行器  95
    6.1.4 主动控制实验预研究  95-96
  6.2 后续工作展望  96-98
    6.2.1 振动系统特性方面  96
    6.2.2 振动系统主动控制理论方面  96-97
    6.2.3 主动控制执行机构方面  97-98
参考文献  98-103
致谢  103-104
附录:科研工作简要  104

大型多支承旋转轴系低频振动主动控制模拟研究

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