НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o059.pdf (1724.72Кб)

УДК 378; 62-523; 612.13; 532.5

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Работа посвящена изучению стабилизации ротора на активных магнитных подшипниках (АМП) в рамках разработки математической модели ротора осевого насоса искусственного желудочка сердца (ИЖС). Рассматривается вопрос вибраций жесткого титанового с магнитными вставками ротора ИЖС.
Актуальность исследований в этой области обусловлена увеличением числа больных, страдающих сердечной недостаточностью. Глобальным аспектом при проектировании устройств ИЖС является необходимость управления движением ротора и обеспечении стабильного положения внутри проточной части.
Проблема бесконтактного подвеса ротора, а так же проблема управления, решается применением магнитных подшипников, которые позволяют осуществлять стабилизацию в заданном положении с помощью магнитных сил. Поэтому работа посвящена изучению проблемы позиционирования ротора. Суть работы заключается в решении задачи управления положением ротора с точностью 0,2 мм при скоростях вращения от 5000 до 12000 об/мин. Задача управления решается применением линейно-квадратичной оптимизации с учетом влияния внешних сил, действующих на ротор, со стороны потока крови.
Активные магнитные подшипники обладают ограниченными ресурсами управления по силе, току и напряжению. Поэтому желательно, чтобы расходование ресурсов управления было минимальным. С другой стороны, подшипник должен удерживать ротор, находящийся под действием возмущающих сил, с заданной точностью. Практика показывает, что одним из наиболее подходящих в указанном смысле для магнитных подвесов является метод линейно-квадратической (ЛК) оптимизации, поэтому в работе было реализовано управление магнитным подвесом с помощью этого метода.
Проведенное исследование показало, что применение ЛК-управления обеспечивает наиболее быструю стабилизацию – менее 1 секунды. Для поставленной задачи были подобраны коэффициенты усиления k _sA,B = 10⁵ Н·м^-1, k _iA,B = 10 Н·А^-1, которые можно реализовать на практике.
Было установлено, что ЛК-управление наилучшим образом обеспечивает стабилизацию системы. Перемещения центров сечений А и В ротора составляют около 10^-7 м, что находится в пределах погрешности. Линейно-квадратичное регулирование позволяет оптимизировать работу системы управления по нескольким критериям, в данном случае, этими критериями явились положения центров сечений подшипников ротора и токи управления. В качестве максимальных регулирующих значений были выбраны: по управляющим токам max i _{x,y_A,B} = 0.03 A, по положению max x _bA,B = max y _bA,B = 0.2 мм. При этом значения управляющих токов составили от 0.3 до 12 мА в зависимости от скорости вращения ротора. Проведенное исследование предполагает дальнейшую реализацию на практике.

1. Barbaraci G., VirzìMariotti G. Sub-Optimal Control Law for Active Magnetic Bearings Suspension // Journal of Control Engineering and Technology (JCET). 2012. Vol. 2, no. 1. Pp. 1-10. DOI: 10.5963/JCET0201001
2. Schweizer G., Maslen E.H. Ch. 7: Dynamics of the Rigid Rotors; Ch. 10: Dynamics of Flexible Rotors. In: Magnetic Bearings. Theory, Design and Application to Rotating Machinery. SpringerBerlinHeidelberg, 2009. Pp. 167-189; pp. 251-297.
3. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение. СПб.: Политехника, 2003. 206с.
4. Фролов К.В. Защита от вибраций и ударов. М.: Машиностроение, 1981. 456 с.
5. Журавлев Ю.Н., Хмылко Н.В. Динамическая оптимизация линейной системы управления активной магнитной опорой // Известия вузов. Электромеханика. 1987. № 12. С. 74-81.
6. Журавлев Ю.Н. Оптимизация силовой характеристики управляемого подвеса гироскопического ротора // Известия вузов. Приборостроение. 1991. № 10. С. 68-72.
7. Franklin G.F., Powell J.D., Emami-Naeini A. Feedback Control of Dynamic Systems. PrenticeHall, UpperSaddleRiver, NJ, 4th edition, 2002.
8. Овсянникова Е.Е., Богданова Ю.В., Гуськов А.М. Исследование влияния потока крови на динамику ротора искусственного желудочка сердца (ИЖС) на активных магнитных подшипниках (АМП) // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 9. С. 298-317. DOI: 10.7463/0915.0811659
9. Богданова Ю.В., Гуськов А.М. Моделирование динамики ротора электрошпинделя на магнитных подшипниках // Наука и образование. МГТУим. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 1. С. 201-220.DOI: 10.7463/0115.0753146