Hirschmanner, M. (2003). Control of unbalance and self-exciting forces by active magnetic bearings [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-11337
The goal of this thesis is to combine an adaptive cross-coupling control scheme, developed at the Institute for Machine Dynamics and Measurement, with an unbalance control scheme, described in the literature, and study the interaction between these two algorithms. In this doctoral dissertation, the behavior of a rigid rotor is described which is supported by active magnetic bearings (AMBs) and is excited by two sources of vibration and controlled by three control algorithms. The sources of vibration are the mass unbalance excitation which is a harmonic excitation synchronous to the rotational speed and a nonconservative cross-coupling excitation representing a destabilizing process. The three control algorithms are, a discrete-time PID (proportional integral differential) control, an adaptive cross-coupling control (ACCC) algorithm, and an unbalance control algorithm either discrete harmonic control (DHC) or continuous harmonic control (CHC). This thesis consists of two parts. In the first part, rotor and active magnetic bearings are modelled while in the second part the control algorithms are developed and their behavior is studied by numerical simulations as they operate independently or interact with each other. All three algorithms are analyzed and implemented as discrete-time control algorithms; the continuous-time counterparts are also included in the thesis for easier understanding of the operational principles. Summarizing the result, the PID controller is necessary for a stable operation of the AMB-supported rotor. The ACCC control stabilizes the rotor when it is destabilized by a nonconservative cross-coupling force, but causes a high rotor vibration level when unbalance excitation acts on the rotor at the same time. The unbalance control can substantially reduce the effects of unbalance excitation regardless of adaptive cross-coupling control. With the reduction of the unbalance effects, the high vibration level from the ACCC algorithm disappears. So, for an unstable cross-coupling excited rotor, the ACCC is necessary for operation, while the additional unbalance control diminishes the negative effects of the ACCC algorithm without influencing the positive effects of the ACCC and furthermore, it can reduce unbalance vibrations.
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Das Ziel dieser Dissertation ist es, einen adaptiven Regler zur Unterdrueckung zirkulatorischer Kreuzkopplungskraefte, der am Institut fuer Maschinendynamik und Messtechnik entwickelt wurde, mit einem Unwuchtkompensationsalgorithmus, der in der Literatur beschrieben wird, zu kombinieren. In dieser Dissertation wird das Verhalten eines starren Rotors beschrieben, der in zwei aktiven Magnetlagern gelagert ist sowie von zwei Arten von Kraeften zu Schwingungen angeregt und durch drei Algorithmen geregelt wird. Die betrachteten Anregungen sind, die Unwuchtanregung, die eine drehzahlsynchrone, harmonische Anregung darstellt, und eine nichtkonservative zirkulatorische Kreuzkopplungsanregung, die einen destabilisierenden Prozess repraesentiert. Die drei Regelalgorithmen sind ein zeitdiskreter PID-Regler, ein adaptiver Kreuzkopplungskompensationsalgorithmus (adaptive cross-coupling control, ACCC) und ein Unwuchtkompensationsalgorithmus, der in diskreter (discrete harmonic control, DHC) und kontinuierlichen Form (continuous harmonic control, CHC) vorliegt. Diese Dissertation besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil werden der Rotor und die aktiven Magnetlager modelliert, waehrend im zweiten Teil die Regelalgorithmen hergeleitet und ihr Verhalten, insbesondere ihre Interaktion untereinander, mittels numerischen Simulationen studiert wird. Alle drei Algorithmen werden als zeitdiskrete Prozesse analysiert und implementiert. Die zeitkontinuierlichen Gegenstuecke sind ebenfalls beschrieben um ein leichteres Verstehen der Wirkungsweisen zu ermoeglichen. Die Ergebnisse in zusammengefasster Form sind: der PID-Regler ist fuer einen stabilen Betrieb des Rotors in Magnetlagern notwendig. Der ACCC-Algorithmus stabilisiert den Rotor wenn dieser durch starke Kreuzkopplungskraefte destabilisiert wird. Wenn der Rotor gleichzeitig durch Unwuchtschwingungen angeregt wird, bewirkt dieser jedoch starke Rotorschwingungen. Die Unwuchtkompensationsregelung reduziert deutlich die Auswirkungen der Unwuchtanregung, unabhaengig davon, ob der ACCC-Algorithmus eingesetzt wird oder nicht. Mit der Reduktion der Unwuchtauswirkungen verschwinden auch die starken Rotorvibrationen, die durch den ACCC-Algorithmus hervorgerufen werden. Fuer einen durch Kreuzkopplungskraefte destabilsierten Rotor ist der ACCC-Algorithmus fuer den Betrieb notwendig, waehrend eine zusaetzliche Unwuchtkompensationregelung die negativen Auswirkungen des ACCC-Algorithmus beseitigt und darueber hinaus die Unwuchtschwingungen reduziert.