Využití mikropočítačů pro řízení systémů s rychlou odezvou v reálném čase

Miroslav Pawlenka

Doctoral thesis

The use of microcomputers for the real-time control of systems with fast response

Abstract:

Disertační práce se zabývá využitím řídicího systému CompactRIO s programovatelným hradlovým polem pro aplikaci na zařízení pro testování aktivního potlačování vibrací v reálném čase. Vibrace vznikají díky nestabilitě kluzných hydrodynamických ložisek, která se nazývá „oil whirl“. To znamená, že hřídel, která je uložená v kluzném ložisku, se otáčí nejen kolem své osy, ale také krouží v ložiskovém pouzdře. V práci je nejprve popsáno zkušební zařízení pro aktivní potlačování vibrací. Je uveden popis původního řízení a následně nasazení řídicího systému CompactRIO. Dále je objasněn simulační model ložiska spolu s analýzou stability a simulačním modelem se dvěma ložisky spojenými hřídelí. Následující část se zabývá regulačním obvodem s automaticky přeladitelným pásmovým filtrem druhého řádu, který má zkvalitnit regulaci. S tímto filtrem je regulace prováděna jen ve frekvenčním pásmu, ve kterém vzniká nestabilita, tj. v okolí pro stabilitu kritické frekvence. Funkčnost filtru je ověřena jak analyticky, tak experimentálně v řídicím systému. Dalším filtrem, který má zpřesnit výsledky regulace, je Kalmanův filtr. Tento filtr byl aplikován z důvodu velkého procesního šumu při měření otáček. Měření otáček je důležité, protože frekvence, na kterou se ladí pásmový filtr je úměrná frekvenci otáčení. V poslední části práce je popsán experiment, kdy je na rotor přidána hmota. Je potřeba ověřit vliv na kvalitu regulace při radiálním zatížení gravitační silou. Experimenty jsou prováděny pro všechny varianty regulace, a to s proporcionálním regulátorem, s pásmovým filtrem a s kombinací proporcionálního regulátoru a pásmového filtru.

Abstract:

This doctoral thesis deals with the use of the CompactRIO control system with the programmable gate array for the real-time active vibration control applied to the test device. Vibrations result from instability called "oil whirl". This means that the shaft that is supported by the journal bearing rotates not only around its axis but also rotates in the bearing bushing. In this thesis, first, a test device for active vibration control is described. The description of the original control system and subsequent deployment of the CompactRIO control system is provided. The simulation model of the bearing, together with the stability analysis and the simulation model with two bearings supporting the shaft, is also explained. The following section deals with a control algorithm with a second-order auto-tunable bandpass filter to improve the control. With this filter, the control is only performed in the frequency band in which instability occurs. The functionality of the filter is verified both analytically and experimentally in the control system. Another filter to fine-tune control results is the Kalman filter. This filter was applied due to the high process noise at speed measurement. Speed measurement is important because the frequency at which the bandpass filter is tuned is proportional to the rotation frequency. The last part of the thesis describes an experiment where mass is added to the rotor. It is necessary to verify the effect on the quality of the control under gravity load. Experiments are performed for all control variants, with a proportional controller, a bandpass filter and a combination of a proportional controller and a bandpass filter.

Keywords

Aktivní tlumení vibrací, pásmový filtr, Kalmanův filtr, nestabilita whirl, kluzná ložiska, MATLAB-Simulink, LabVIEW, FPGA, tuhost, tlumení, setrvačník, hřídel, simulace

Keywords

Active vibration control, bandpass filter, Kalman filter, whirl instability, journal bearings, MATLAB-Simulink, LabVIEW, FPGA, stiffness, damping, flywheel, shaft, simulation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 8. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 14. 12. 2018
• Supervisor: Jiří Tůma
• Reader: Pavel Rydlo, Petr Beneš, Boris Rihaľ-Ilkiv

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Řízení strojů a procesů