水潤滑軸承潤滑系統(tǒng)改進(jìn)滑模自抗擾控制方法

關(guān)鍵詞： 水潤滑軸承; 潤滑系統(tǒng); 改進(jìn)滑?？刂坡? 擴(kuò)張觀測器; 供水壓力

中圖分類號： TB9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）02–0118–09

0 引言

傳統(tǒng)油潤滑軸承在應(yīng)用中存在振動和磨損、高能源消耗、金屬資源成本大以及漏油風(fēng)險等不足，而水潤滑軸承以水作為潤滑劑，是一種節(jié)能環(huán)保的滑動軸承，因此近年來在航空航天、艦船等機(jī)電設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。水潤滑軸承工作時，軸承間隙內(nèi)形成具有動壓效應(yīng)的水膜將軸支撐起來，從而起到良好潤滑作用，減少了軸與軸承的摩擦磨損[1-4]。因此，研究作為機(jī)電設(shè)備關(guān)鍵支撐部件的水潤滑軸承具有重要意義。

潤滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性關(guān)系到水潤滑軸承潤滑膜生成與性能，而局部缺乏潤滑介質(zhì)或在高載荷條件下，軸承往往會產(chǎn)生摩擦與磨損，目前對水潤滑軸承潤滑系統(tǒng)的一體化調(diào)控研究較為缺乏。Liu 等[5] 通過在空心軸內(nèi)部安裝信號調(diào)節(jié)器，改善薄膜壓力信號。研究表明，潤滑系統(tǒng)供水壓力增加，改善了靜水壓力，從而提高軸承徑向圓周范圍內(nèi)的水膜壓力，供水壓力穩(wěn)定提升對水膜形成有促進(jìn)作用。Wang 等[6] 采用數(shù)值方法建立了水潤滑軸承系統(tǒng)管道壓力損失數(shù)學(xué)模型，并研究了壓力損失機(jī)理，實(shí)驗(yàn)表明，管道入口處水流量越大，水膜壓力損失越大；軸速越高，局部壓力損失越大。但由于潤滑系統(tǒng)設(shè)置了I 類導(dǎo)流孔，因此在旋轉(zhuǎn)時，水膜會產(chǎn)生一定的壓降，從而影響供水壓力的準(zhǔn)確性。Ouyang等[7] 使用高精度無線遙測裝置獲得了軸承中的壓力信號，并系統(tǒng)研究了偏置載荷、轉(zhuǎn)速和船體變形對軸承潤滑特性的影響，研究表明，如果閥門開度突變，由于管內(nèi)存在水錘效應(yīng)，從而流體流速和壓力隨之變化，影響水膜形成。

水潤滑軸承系統(tǒng)具有大時滯、多耦合與抗干擾能力弱的特點(diǎn)，為進(jìn)一步提高潤滑系統(tǒng)的控制性能，優(yōu)化非線性擾動因素導(dǎo)致的系統(tǒng)擾動，經(jīng)過多年研究，目前控制策略主要有模糊控制[8]、滑?？刂芠9-10]、魯棒控制[11]、自抗擾控制[12]，其中，具有較強(qiáng)魯棒性的自抗擾控制（ADRC）具有很大優(yōu)勢。高志強(qiáng)[13]研究了大時滯不確定性系統(tǒng)的滯后時間弱化及自抗擾控制，在模型參數(shù)變化、時延變化及外界干擾等多個因素影響下，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定，并獲得較好的控制效果。江帆等[14] 對水潤滑軸承潤滑系統(tǒng)采用閉環(huán)模糊控制方法，結(jié)果表明，系統(tǒng)輸出超調(diào)量降低了5%，抗擾性提高了12.5%；但由于系統(tǒng)存在內(nèi)部擾動與外界干擾，該算法預(yù)測計算能力較低，導(dǎo)致系統(tǒng)供壓精度不足。

為了解決上述問題，本文以水潤滑軸承潤滑系統(tǒng)為研究對象，建立該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，將潤滑系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為反饋系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)型，基于潤滑系統(tǒng)模型完成改進(jìn)滑模自抗擾壓力控制器設(shè)計；采用滑模變結(jié)構(gòu)原理及改進(jìn)指數(shù)趨近率對ADRC中擴(kuò)張觀測器（ESO）進(jìn)行優(yōu)化，提高觀測器對于水潤滑軸承系統(tǒng)中負(fù)載擾動項(xiàng)的觀測精度；最后，通過Matlab平臺進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分別在不同負(fù)載與擾動下進(jìn)行場地試驗(yàn)，觀測水軸承潤滑性能，驗(yàn)證了滑模自抗擾供壓控制器的性能。

1水潤滑軸承潤滑系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1潤滑系統(tǒng)工作原理水潤滑軸承潤滑控制試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

水流通過進(jìn)水管注入水潤滑軸承腔體內(nèi)，電機(jī)帶動軸運(yùn)轉(zhuǎn)，水膜在軸與軸承之間的間隙內(nèi)形成。水膜壓力傳感器安裝在導(dǎo)孔末端，用于測量當(dāng)前轉(zhuǎn)速與載荷下的水膜壓力。

試驗(yàn)臺末端安裝有無線傳感發(fā)送設(shè)備，與上位機(jī)無線傳感接收裝備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為監(jiān)測水潤滑軸承系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，如當(dāng)前轉(zhuǎn)速、扭矩和潤滑管道壓力等，在水潤滑軸承入口安裝電磁流量計和壓力數(shù)顯表，轉(zhuǎn)速扭矩傳感器安裝在電機(jī)端，PLC控制系統(tǒng)則通過HMI 設(shè)備以RS485 總線通信方式將潤滑系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)絇C機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對水潤滑軸承工作狀況及故障情況的實(shí)時監(jiān)測。

1.2管道內(nèi)流體運(yùn)動數(shù)學(xué)模型

分析管道拐彎處和閥門設(shè)定變化所導(dǎo)致供壓瞬間變化，對管道建立一維流動方程：

首先，使用正弦信號輸入來評估3種控制方法對角位移跟蹤響應(yīng)，仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，3種控制策略均能很好地追蹤正弦信號，跟蹤誤差小于0.01mm，表明3種控制方式具有良好動態(tài)跟蹤性能。然而，局部放大圖A顯示，SMC響應(yīng)速度最慢，響應(yīng)時間為5.30s后穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到最小，對于SMADRC響應(yīng)，大約需要0.16s才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，雖然不存在穩(wěn)態(tài)誤差，但存在一定超調(diào)。至于ISMADRC性能，它只需要0.14s 就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并且沒有穩(wěn)態(tài)誤差。局部放大圖B像顯示，SMC跟蹤誤差超過0.006mm， SMADRC和ISMADRC跟蹤誤差均接近0，這也表明自抗擾器和滑模控制器的結(jié)合可有效地降低誤差，提高控制精度。

為證明系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，分別采用3種控制方法對角速度信號進(jìn)行跟蹤。仿真結(jié)果如圖7所示。從局部放大圖像D可看出，SMC響應(yīng)速度最慢，響應(yīng)時間為4.23s，穩(wěn)態(tài)誤差0.01rad/s，不存在超調(diào)。從局部放大圖像C可以看出， 對于SMADRC 響應(yīng)，存一定超調(diào)，需0.63s才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，響應(yīng)速度得到大幅提升。至于ISMADRC性能，只需要0.60s就可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并且沒有穩(wěn)態(tài)誤差，同時峰值時間比SMADRC提高了53.2%。如上所述，對于SMADRC，由于sgn（s）存在，控制動作將不可避免地發(fā)生抖振。相反，在ISMADRC方法中，將sgn（s）替換為θ（s），削弱了抖振現(xiàn)象并穩(wěn)定了輸出。

綜上所述，設(shè)計的ISMADRC系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速地跟蹤設(shè)定值，其動態(tài)性能優(yōu)于其他兩種方法，能夠滿足水潤滑軸承潤滑系統(tǒng)控制的快速性和準(zhǔn)確性要求。

4實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文控制方法的有效性，在水潤滑軸承潤滑試驗(yàn)平臺進(jìn)行潤滑系統(tǒng)供水測試試驗(yàn)。比較了ISMADRC、SMADRC、SMC在指定供壓輸出、長時隨機(jī)擾動、突變降壓負(fù)載運(yùn)行條件下響應(yīng)和供壓。圖8為水潤滑軸承潤滑系統(tǒng)，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示?？刂扑惴ㄔ趩纹瑱C(jī)中使用C++程序?qū)崿F(xiàn)，控制器核心是GD32F103RET6，用于發(fā)出期望電壓信號與接收調(diào)節(jié)閥反饋信號。

4.1指定供壓輸出

在3.20s處輸入階躍信號，設(shè)定期望供壓為0.390MPa。為觀測ISMADRC性能，將SMADRC、SMC進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果見圖9。由于管道設(shè)計和安裝問題，使得潤滑系統(tǒng)存在一定量負(fù)壓。與其他兩種控制策略，SMC的響應(yīng)時間較慢。SMADRC與ISMADRC的響應(yīng)時間相近，但由于改進(jìn)了滑模趨近率，ISMADRC的穩(wěn)態(tài)均值誤差更小。ISMADRC可快速達(dá)到所需供壓，同時具有最小的穩(wěn)態(tài)誤差和最快的響應(yīng)速度。部分曲線參數(shù)如表2所示。

4.2突變降壓負(fù)載試驗(yàn)

水潤滑軸承在艦船等水力機(jī)械中廣泛使用，為研究海浪拍擊對其影響，將所需供給壓力設(shè)定為0.390MPa，在供給壓力為0.250MPa 時，施加劇烈降壓，觀測3種控制策略對潤滑系統(tǒng)作用效果，結(jié)果如圖10所示。

應(yīng)對相同突變降壓，受SMC控制下的潤滑系統(tǒng)供壓降到0.049MPa，而結(jié)合了ESO的ISMADRC與SMADRC控制策略受到突變降壓影響更小，供壓僅下降到0.126 MPa。供壓收斂時，ISMADRC、SMADRC、SMC的調(diào)節(jié)時間分別為6.60s，6.84s，8.01s。在穩(wěn)壓區(qū)，所提ISMADRC的穩(wěn)態(tài)誤差范圍依舊最小。分析表明，將滑模面與ESO 結(jié)合，對于突然間劇烈擾動，可使?jié)櫥到y(tǒng)具有良好的抗干擾性。

4.3長時隨機(jī)擾動試驗(yàn)

水潤滑軸承工作環(huán)境，經(jīng)常會受到海浪波動、機(jī)械噪音、儀器摩擦等長期擾動。在2.50s處添加隨機(jī)擾動直至試驗(yàn)結(jié)束，將期望設(shè)置為0.330MPa。如圖11所示，在系統(tǒng)存在長時干擾下，ISMADRC表現(xiàn)出了更好的抗擾性能。相比SMADRC與SMC，在調(diào)節(jié)過程中上升更為平緩，抖振明顯減小。從局部圖所示，潤滑系統(tǒng)達(dá)到期望供水時間時，ISMADRC 在16.50s處穩(wěn)態(tài)誤差±0.010MPa，SMADRC 在17.60s 處穩(wěn)態(tài)誤差±0.020MPa，SMC在18.80s處穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差±0.020MPa，說明所提控制策略具有良好控制性能。

5結(jié)束語

為解決水潤滑軸承潤滑系統(tǒng)供水壓力不穩(wěn)定、控制誤差大的問題，本文提出了改進(jìn)滑模自抗擾控制方法，并設(shè)計了控制器以提高潤滑系統(tǒng)的輸出精度和抗干擾能力。結(jié)論如下：

1）通過水潤滑軸承潤滑系統(tǒng)模型建立仿真，驗(yàn)證控制器輸入為正弦期望信號的跟蹤性能，在5.30 s 處SMC 才可追蹤到期望信號，由于建立擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和設(shè)計改進(jìn)滑?？刂坡桑琁SMADRC 僅在0.14 s。

2）供壓試驗(yàn)中，ISMADRC中ESO可計算高精度的供壓誤差，因此該控制方法可使響應(yīng)時間提升至3.02s，誤差范圍控制在0.389～0.400MPa，改善了系統(tǒng)供壓不穩(wěn)定問題。

3）突變降壓負(fù)載與長時隨機(jī)擾動試驗(yàn)結(jié)果表明，ISMADRC對于不同擾動具有預(yù)測與抵抗作用，相比于其他控制方法抗干擾性提高25.3%，控制精度達(dá)到±0.010MPa，該算法能夠預(yù)測計算出較高精度擾動量，改善了水潤滑軸承運(yùn)行環(huán)境中供壓問題。

4）當(dāng)3種試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)區(qū)域時，ISMADRC 中用連續(xù)函數(shù)θ（s）替換sgn（s）函數(shù)，優(yōu)化了滑?？刂坡?，結(jié)果表明供水壓力輸出穩(wěn)定性提升37.93%，驗(yàn)證了所提出的控制方法不僅消除了抖振影響，且具有最佳性能和實(shí)用性。