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設計技術シリーズ

回転機械のための
実践!磁気軸受の制御系設計

著: 藪井 将太(東京都市大学)
定価: 4,400円(本体4,000円+税)
判型: A5
ページ数: 216 ページ
ISBN: 978-4-910558-23-3
発売日: 2023/11/20
管理No: 121
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正誤表
2023/11/28更新

【目次】

第1章 はじめに

  1. 参考文献

第2章 磁気軸受のダイナミクス

  1. 2.1 電磁力
    1. 2.1.1 平衡点近似による線形化
    2. 2.1.2 フィードバック線形化
  2. 2.2 線形モデルのダイナミクス
    1. 2.2.1 周波数応答:ボード線図
    2. 2.2.2 ベクトル軌跡:ナイキスト線図
  3. 2.3 カーブフィッティングによるモデリング
    1. 2.3.1 基本思想
    2. 2.3.2 実践的な伝達関数モデルの導出
    3. 2.3.3 グレーボックスモデリングによる伝達関数の導出
  4. 2.4 m-file
  5. 参考文献

第3章 制御系設計の基本

  1. 3.1 制御系の構成について
  2. 3.2 連続時間/離散時間の変換について
    1. 3.2.1 ホールド回路の特性について
    2. 3.2.2 離散化手法について
  3. 3.3 コントローラについて
    1. 3.3.1 PIDコントローラ
    2. 3.3.2 位相遅れフィルタと位相進みフィルタ
    3. 3.3.3 ノッチフィルタ(バンドストップフィルタ)
    4. 3.3.4 ピークフィルタ(バンドパスフィルタ)
  4. 3.4 評価指標
    1. 3.4.1 開ループ特性
    2. 3.4.2 閉ループ特性
    3. 3.4.3 簡易シミュレーションによる閉ループ系の動作確認
  5. 3.5 m-file
  6. 参考文献

第4章 磁気軸受に対する制御系設計

  1. 4.1 理論モデルの作成
  2. 4.2 安定化コントローラの設計
  3. 4.3 閉ループシステム同定
    1. 4.3.1 モデル化誤差:Δxについて
    2. 4.3.2 外力:dxについて
    3. 4.3.3 ノイズ:nxについて
    4. 4.3.4 閉ループシステム同定のまとめ
  4. 4.4 閉ループシステム同定に基づくコントローラの再設計
    1. 4.4.1 弾性モードに対するノッチフィルタの設計
    2. 4.4.2 外乱抑圧特性を改善するためのPIDコントローラの再設計
    3. 4.4.3 コントローラの再設計のまとめ
  5. 4.5 m-file
  6. 参考文献

第5章 アドバンスト制御系設計

  1. 5.1 位相安定化を用いた制御系設計
    1. 5.1.1 ノッチフィルタによる弾性モードの補償
    2. 5.1.2 位相安定化による弾性モードの補償
  2. 5.2 周期外乱の補償に特化した制御系設計
    1. 5.2.1 ピークフィルタを用いた周期外力の補償
    2. 5.2.2 AFCを用いた周期外力の補償
    3. 5.2.3 繰り返し学習制御を用いた周期外力の補償
    4. 5.2.4 ピークフィルタ,AFC,ILCの比較について
  3. 5.3 回転数変化を考慮した制御系設計
    1. 5.3.1 測定した回転数を制御系へ取り込める場合
    2. 5.3.2 測定した回転数を制御系へ取り込めない場合
  4. 5.4 m-file
  5. 参考文献

第6章 磁気軸受を用いたシール部に作用するロータダイナミック流体力の推定

  1. 6.1 背景
  2. 6.2 実験装置の概要
  3. 6.3 制御対象のモデル化
  4. 6.4 フィードバックコントローラの設計
    1. 6.4.1 安定化コントローラの設計
    2. 6.4.2 閉ループシステム同定:dx(t), dy(t), dz(t)について
    3. 6.4.3 フィードバックコントローラの設計指針
    4. 6.4.4 フィードバックコントローラの設計
  5. 6.5 AFCを用いたロータダイナミック流体力の推定について
    1. 6.5.1 ロータダイナミック流体力のモデル
    2. 6.5.2 AFC出力とロータダイナミック流体力の関係
    3. 6.5.3 ロータダイナミック流体力(係数)の推定手順
  6. 6.6 試験装置を用いたロータダイナミック流体力の推定
  7. 6.7 m-file
  8. 参考文献

第7章 あとがき

【参考文献】

  • 山本,石田,回転機械の力学,コロナ社(2001)
  • Vance, 1988, Rotordynamics of Turbomachinery, Wiley-Interscience
  • Childs, 1993, Turbomachinery rotordynamics: phenomena, modeling, and analysis, Wiley-Interscience publication
  • 谷口編,振動工学ハンドブック,養賢堂(1976)
  • 松下,田中, 神吉, 小林,回転機械の振動:実用的振動解析の基本,コロナ社(2009)
  • 松下,田中,小林,古池,著神吉, 続回転機械の振動:実機の振動問題と振動診断(2012)
  • Sawicki, Rotordynamics, ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol.129, No.3, p.888 (2007)
  • 小林, 兼森, 古池, 松下, 振動工学データベース(v BASE)研究会20年と今後の活動, 日本機械学会論文集C 編,78 巻, 788 号, pp. 1044-1054(2012)
  • 日本機械学会編,磁気軸受の基礎と応用,養賢堂(1995)
  • 野村,荒井,磁気浮上技術の最近の動向調査,津山工業高等専門学校紀要(1997)
  • 我妻,金光,高橋,福島,松下,回転機械設計者のための磁気軸受ガイドブック,日本工業出版(2004)
  • 進士, 磁気軸受 基礎と応用, 精密工学会誌, 78 巻, 12 号, pp. 1054-1057(2012)
  • 野波健蔵, 磁気浮上・磁気軸受制御の現状と制御理論, 計測と制御, 32巻, 4 号, pp. 301-308(1993)
  • 電気学会磁気浮上技術調査専門委員会編,磁気浮上技術の原理と応用,科学情報出版(2018)
  • Schweitzer, Bleuler, Trixler, Active Magnetic Bearings, ETH Zurich(1994)
  • Kato, Inoue, Takagi, Yabui, Nonlinear Analysis for Influence of Parametric Uncertainty on the Stability of Rotor System with Active Magnetic Bearing Using Feedback Linearization, Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 13, Issue 7 (2018)
  • 加藤, 藪井, 高木, 井上, ロータ系の任意振れ回り軌道における外力の解析に向けた磁気軸受装置の開発, 日本機械学会論文集,84 巻, 860号, p. 17-00227 (2018)
  • 電気学会磁気浮上応用技術調査専門委員会(編),磁気浮上と磁気軸受,コロナ社(1993)
  • Srinivas, Tiwari, Kannababu, Application of active magnetic bearings in flexible rotordynamic systems - A state-of-the-art review, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.106, pp. 537-572 (2018)
  • Schweitzer, G. and Maslen, Eric H, Magnetic Bearings - Theory, Design, and Application to Rotating Machinery, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2009)
  • 井上,石田,村上,鉛直支持された磁気軸受・ロータ系の非線形振動解析と実験(制御力の遅れを考慮した場合),日本機械学会論文集C 編,Vol. 71,No.701,pp.2106-2112 (2005)
  • 山口, 渡部, 山田, 電磁石と鉄片間の磁気吸引力の近似計算法, 電気学会論文誌D, 116 巻, 1 号, p. 94-99 (1996)
  • 杉江,清水,井村,厳密な線形化手法を用いたH ∞制御とその磁気浮上系への応用,システム制御情報学会論文誌,Vol. 6,No. 1,pp. 57-63(1993)
  • Lindlau, Knospe, Feedback linearization of an active magnetic bearing with voltage control, IEEE Transactions on control systems technology, Vol. 10, No. 1, pp.21-31 (2002)
  • Chen, Knospe, Feedback linearization of active magnetic bearings: current-mode implementation, IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, Vol. 10, No. 6, pp. 632-639 (2005)
  • 水野, 伝達関数を用いた磁気軸受制御系の基本構造の解析, 日本機械学会論文集C 編, 65 巻, 637 号, pp. 3507-3514 (1999)
  • 松下, Mechanical Vibration -Vibration of Rotating, Machinery Equipped with Active Magnetic Bearing, Part 1 : Vocabulary-, ISO 14839-1 (2002)
  • 進藤,阪井,山内,磁気軸受のターボ機械への適用,日本ガスタービン学会誌,43 巻,4 号,pp. 250-255 (2015)
  • Srinivasan, Cho, Modeling and system identification of active magnetic bearing systems, Proceedings of International Conference on Control Applications, pp. 252-260 (1995)
  • Sun, He, Zhao, Shi, Zhao, Yu, Identification of active magnetic bearing system with a flexible rotor, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 49, No.1-2, pp. 302-316 (2014)
  • Mohd-Mokhtar, Wang, System identification of MIMO magnetic bearing via continuous time and frequency response data, Proceedings of IEEE International Conference on Mechatronics 2005, pp. 191-196 (2005)
  • 長松: モード解析入門, コロナ社, (1993)
  • Mathworks, Signal Processing Toolbox -invfreqs-, accessed Sep 24, 2023.
    https://jp.mathworks.com/help/signal/ref/invfreqs.html
    [19] Mathworks, Signal Processing Toolbox -modalfit-, accessed Sep 24, 2023.
    https://jp.mathworks.com/help/signal/ref/invfreqs.html
  • 野波, 西村, MATLAB による制御理論の基礎,東京電機大学出版局(1998)
  • 野波, 平田, 西村, MATLAB による制御設計,東京電機大学出版局(1998)
  • 杉江,藤田,フィードバック制御入門,コロナ社(1999)
  • システム制御情報学会編,PID 制御(システム制御情報ライブラリー),朝倉書店(1992)
  • 美多, 原, 近藤: 基礎ディジタル制御, コロナ社(1987)
  • 荒木, ディジタル制御理論入門, 朝倉書店, (1991)
  • 陶山: ディジタルフィルタ原理と設計法, 科学情報出版(2018)
  • Doyle, J. C., Francis, B. A. and Tannenbaum, A. R, Feedback Control Theory, Dover Publications (1992)
  • Messner, W. C., Bedillion, M. D. , Xia, L., Karns, D. C., Lead and Lag Compensators with Complex Poles and Zeros, IEEE Control Systems Magazine, Vol. 27, No. 1, pp.44-54, (2007)
  • Messner, W. C., Classical control revisited: Variations on a theme, Proceedings of the Advanced Motion Control 10th IEEE International Workshop, pp. 15-20 (2008)
  • Neil K. Rutland, Patrick S. Keogh, Clifford R. Burrows, Controlling Synchronous Vibration in Flexible Rotor-Bearing Systems Via Convex Programming, IFAC Proceedings Volumes, Vol. 29, Issue 1, pp. 457-462 (1996).
  • Wei, Söffker, Controller Design and Optimization for Rotor System Supported by Active Magnetic Bearings, Universitätsbibliothek Duisburg-Essen (2015)
  • 井上 剛志,廣田 明,藤原 浩幸,内海 政春,藪井 将太, ”磁気軸受を用いたターボポンプの制振技術”,ターボ機械, 45巻,5号, pp.276-pp.284(2017)
  • Lauridsen, J. S., and Santos, I. F., Design of Active Magnetic Bearing Controllers for Rotors Subjected to Gas Seal Forces, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 140, No.9, (2018).
  • Losch, Identification and Automated Controller Design for Active Magnetic Bearing Systems, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, Dissertation (2002)
  • 足立,制御のためのシステム同定,東京電機大学出版局(1996)
  • 足立,システム同定の基礎,東京電機大学出版局(2009)
  • Maruyama, Y., Mizuno, T., Takasaki, M., Ishino, Y., Kameno, H., Kubo, A., Application of Rotor Unbalance Compensation to an AMB-Based Gyroscopic Sensor, Journal of System Design and Dynamics, 3 巻, 4 号, pp. 572-583 (2009)
  • Li B. Unbalanced vibration control of active magnetic bearing using an active disturbance rejection notch decoupling technique. Journal of Vibration and Control. online-first (2023)
  • 朴, 金光, 雉本, 松田, 磁気軸受支持回転体の不つり合いとセンサランナウトの同定法: 第2 報モデル誤差の影響, 日本機械学会九州支部講演論文集, 53 巻, セッションID 503, pp. 129-130 (2000)
  • Setiawan, J. D., Mukherjee, R., Maslen, E. H, Synchronous Sensor Runout and Unbalance Compensation in Active Magnetic Bearings Using Bias Current Excitation, ASME, Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, Vol124, No.1, pp.14?24 (2001).
  • Kim, C. S., Lee, C.W., In situ runout identification in active magnetic bearing system by extended influence coefficient method, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.2, No.1, pp. 51-57 (1997)
  • 熱海,精密サーボ制御の高精度化手法-基礎から実践設計まで-,科学情報出版(2021)
  • 高橋直彦, 三浦治雄, 福島康雄, 高速ターボ圧縮機用磁気軸受制御系の設計と試験結果, 日本機械学会論文集C 編, 72 巻, 721 号, pp. 2912-2920 (2006)
  • Yoo, S. y., Lee, W. r., Bae, Y. c., Noh, M. D., Optimal Notch filter for active magnetic bearing controllers, 2011 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), pp. 707-711 (2011).
  • Zheng, S., Chen, Q., Ren, H., Active Balancing Control of AMB Rotor Systems Using a Phase-Shift Notch Filter Connected in Parallel Mode, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 63, No. 6, pp. 3777-3785 (2016).
  • 加藤,藪井,高木,井上, ロータ系の任意振れ回り軌道における外力の解析に向けた磁気軸受装置の開発, 日本機械学会論文集,84 巻, 860号,p. 17-00227 (2018).
  • 中村泰貴, 涌井伸二, 中村幸紀, 5 軸能動形磁気軸受における不釣り合い振動補償器の切替方法, 自動制御連合講演会講演論文集, 2014, 57 巻, 第57 回自動制御連合講演会, セッションID 1B01-4, p. 97-100
  • R. Herzog, P. Buhler, C. Gahler and R. Larsonneur, ”Unbalance compensation using generalized notch filters in the multivariable feedback of magnetic bearings,” in IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 4, no. 5, pp. 580-586, Sept. 1996, doi: 10.1109/87.531924.
  • 瀬戸, 滑川,周期的外乱を考慮したHinfDIA 制御と磁気軸受による回転性能の検証,日本AEM 学会誌,3 巻,15 号,p.330-340 (2007)
  • Bodson, M., Sacks, A. and Khosla, P., 1994. Harmonic Generation in Adaptive Feedforward Cancellation Schemes, IEEE Transactions on automatic control, Vol.39(9), 1939-1944.
  • Yabui, S. and Inoue, T., 2019, Development of optimal controller design method to compensate for vibrations caused by unbalanced force in rotor system based on Nyquist diagram. Journal of Vibration and Control, Vol. 25(4), pp.793-805.
  • S. Yabui, T. Inoue, Development of a Measurement System for Analyzing Periodic External Forces Acting on Rotating Machineries, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control Vol. 141, No. 10 (2019)
  • Ota, A., Yabui, S., Inoue, T., Heya, A., High-Precision Trajectory Tracking Control of a Multi-Frequency Whirling Orbit Using Adaptive Feedforward Cancellation for the Efficient Experimental Estimation of Fluid Force, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 144, Issue 2, 7 pages (2022).
  • 原, 繰返し制御, 計測と制御, 25 巻, 12 号, pp. 1111-1119 (1986)
  • 狩野, 永井, 岡田, 磁気軸受の繰返し制御, 日本機械学会論文集C 編, 62巻, 604 号, pp. 4580-4586 (1996)
  • Chiacchiarini, H. G., Mandolesi, P. S., Unbalance compensation for active magnetic bearings using ILC, Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Control Applications, pp. 58-63 (2001)
  • Yabui S, Inoue T. Development of optimal controller design method to compensate for vibrations caused by unbalanced force in rotor system based on Nyquist diagram. Journal of Vibration and Control, Vol.25, No.4, pp. 793-805 (2019)
  • Shi, J., Zmood, R., Qin, L., Synchronous disturbance attenuation in magnetic bearing systems using adaptive compensating signals, Control Engineering Practice, Vol.12, Issue 3, pp. 283-290 (2004)
  • Yabui, S., Inoue, T., Development of Adaptive Feed-Forward Cancellation with Frequency Estimation Algorithm for Compensation of Periodic Disturbance at Arbitrary Frequency, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.141, No.12 (2019)
  • Kisaka, M., Adaptive notch filter by using a frequency chasing filter, Proceedings of Technical Meeting on Industrial Instrumentation and Control, IEE Japan, pp.27-30 (2006).
  • Eagle Industry Co, L.,Ekk Technologies, Mechanical Seal, Eagle Industry Co, Ltd., Tokyo, Japan, accessed Sep 24, 2023,
    https://www.ekkeagle.com/en/technology/mechanical/
  • Iwatsubo T., Sheng B.C., Matsumoto T. 1989, An Experimental Study on the Static and Dynamic Characteristics of Pump Annular Seals: 2nd Report, The Dynamic Characteristics for Small Concentric Whirling Motion, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Series C, Vol.55 (510), 317-322 (in Japanease).
  • Childs D. anf Vance J., 1997, Annular Gas Seals and Rotordynamics of Compressors and Turbines, Proceedings of the 26th Turbomachinery Symposium, pp. 201-220.
  • San Andres, L., 2006, Annular Pressure Seals and Hydrostatic Bearings. In Design and Analysis of High Speed Pumps, Educational Notes RTO-EN-AVT-143(11), pp. 11-1-11-36.
  • Satyam S. G. and Mihir K. G., 2010, Dynamic and Static Characteristics of Wavy Annular Seals in Turbulent Flow, Tribology Online, Vol.5(1), pp.7-18.
  • Childs, D. W., Torres, J. M., and Bullock, J. T., 2018, Static and Rotordynamic Characteristics of Liquid Annular Seals With a Circumferentially-Grooved Stator and Smooth Rotor Using Three Levels of Circumferential Inlet-Fluid Rotation. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2018, Oslo, Norway. June 11-15, 2018.
  • Zhou W., Wu G., Qiu, N., Liu S. and Lai Z., 2019, Influence of Exit-Recovery Coefficient on the Leakage and Dynamic Characteristics of Annular Seal, Arabian Journal for Science and Engineering, Vol.44(2), 1293-1303.
  • 兼森,岩壼,長い平行環状シールの動的流体力に関する実験的研究回転体がコニカルモードでふれまわり運動する場合に発生する動的流体力,日本機械学会論文集C 編,Vol. 55,No. 520,pp. 2974-2981 (1989)
  • Yun, H. and Brennen, C. E., Fluid flow equations for rotordynamic flows in seals and leakage paths, Journal of fluids engineering, Vol.124, No.1, pp.176-181 (2002)
  • 西嶋,遠藤,山口,回転機械の軸シールで発生する不安定流体力の数 値解析(シール長さとギャップの影響),日本機械学会論文集, Vol. 80,No. 816, p. FE0226 (2014)
  • 江口,丸田,後藤,磁気軸受搭載ロータダイナミクステストスタンドによるターボ機械の特性評価,ターボ機械,Vol. 30,No. 2,pp.99-108 (2002)
  • Zutavern, Z. S., Childs, D. W., Identification of Rotordynamic Forces in a Flexible Rotor System Using Magnetic Bearings, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2007, Vol. 5, pp. 895-902 (2007)
  • Voigt, A. J., Mandrup-Poulsen, C., Nielsen, K. K., and Santos, I.F., 2016, Design and Calibration of a Full Scale Active Magnetic Bearing Based Test Facility for Investigating Rotordynamic Properties of Turbomachinery Seals in Multiphase Flow, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2016, Vol. 7B (2016).
  • Voigt, A. J., Towards Identification of Rotordynamic Properties for Seals in Multiphase Flow Using Active Magnetic Bearings. Design and Commissioning of a Novel Test Facility. DCAMM Report, No.S212, (2016)
  • Tokunaga, Y., Inoue, H., Hiromatsu, J., Iguchi, T., Kuroki, Y.,Uchiumi, M., Rotordynamic Characteristics of Floating Ring Seals in Rocket Turbopumps, Journal of International Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.9, No.3, 194-204 (2016)
  • Jonas L and Ilmar S., Design of robust AMB controllers for rotors subjected to varying and uncertain seal forces. Mechanical Engineering Journal, Vol.4, No.5, pp.1-12 (2017)
  • Lauridsen, J. S., and Santos, I. F., On-Site Identification of Dynamic Annular Seal Forces in Turbo Machinery Using Active Magnetic Bearings: An Experimental Investigation, ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol.140, No.8, p. 082501(2018).
  • 宇宙航空研究開発機構,ローターダイナミクス試験装置(JARTS),宇宙航空研究開発機構,角田宇宙センター,試験設備, accessed Sep 24, 2023,
    https://www.jaxa.jp/about/centers/kspc/files/kscp test facilities.pdf
  • Inoue, H., Yabui, S., Inoue, T., Characteristics of Rotordynamic Forces generated by Mechanical Seals. 18th International Symposium on Transport. Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery. ISROMAC 18 (2020)
  • Yabui, S., Inoue, H., Inoue, T., Excitation System with Active Magnetic Bearing Control Performance Improvement for Rotordynamic Force Measurement, IEEE International Conference on Mechatronics (ICM2021), TF-001538 (2021)
  • Yabui, S., Inoue H., Inoue, T., Control scheme of adaptive feedforward cancellation considering of Bode’s integral theorem for synchronous vibration suppression in rotating machineries. Journal of Vibration and Control, Vol.27, No.21-22, 2586-2599 (2021)
  • Childs, D. W., and Wade, J., Rotordynamic-Coefficient and Leakage Characteristics for Hole-Pattern-Stator Seals - Measurements Versus Predictions, ASME Journal of Tribology. Vol.126, No.2: pp.326-333(2004)
  • Kanemori, Y. and Iwatsubo, T., Experimental Study of Dynamical Characteristics of a Long Annular Seal: Force and Moment Due to Conical Whirl Rotation, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series C, Vol. 55, No.520, pp. 2974-2981 (1989)
  • Iwatsubo, T. and Ishimaru, H., Consideration of Whirl Frequency Ratio and Effective Damping Coefficient of Seal, Journal of System Design and Dynamics, Vol4, No.1, pp.177-188 (2010)
  • Mathworks, Curve Fitting Toolbox - Fit curves and surfaces to data using regression, interpolation, and smoothing, accessed Sep24, 2023.
    https://jp.mathworks.com/products/curvefitting.html

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