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新型磁悬浮系统控制方法研究

作　者: 朱啸
导　师: 周绍生
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 磁悬浮系统反馈线性化 backstepping方法模型转换输出调节
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 84次
引　用: 1次
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内容摘要

磁悬浮技术由于其无接触、无摩擦、高精度定位、功耗小、无需润滑,使用寿命长等一系列优点,近年来受到了越来越多国内外研究学者的关注。而磁悬浮技术的核心和关键技术就是磁悬浮控制系统的设计,其性能的好坏将直接决定整个磁悬浮系统的性能,包括系统稳定性、刚度、抗干扰能力等。由于磁悬浮系统是一个强非线性、不确定、开环不稳定的系统,这些都增加了磁悬浮控制器设计的难度。所以,对磁悬浮控制器设计问题的研究以及探索新型磁悬浮控制方法具有十分重要的理论与现实意义。本文以单磁铁磁悬浮系统为研究对象。该系统具有结构简单、建模方便、性能分析相对容易,并且可以极大的缩短研究周期等优点。同时,对多自由度磁悬浮系统的研究,可以借鉴单自由度磁悬浮系统研究已经取得的许多有意义的研究成果。本文研究的主要内容包括三个方面:一.在详细分析了单磁铁磁悬浮系统结构组成及工作原理的基础上,基于磁路基尔霍夫定理、牛顿定理、电磁感应定理等建立了其数学模型。然后分别采用基于平衡点展开和直接反馈线性化方法对其进行了线性化处理,建立了其线性化模型,并通过系统系能分析及仿真结果表明系统开环是不稳定的,需要对其进行反馈控制设计。同时,基于磁悬浮系统本身的非线性特性,建立了非线性模型。二.基于平衡点展开线性化模型,设计了磁悬浮系统PID控制器,通过Matlab\Simulink仿真观察了控制器控制系能。然后基于直接反馈线性化模型,根据给定的性能指标,我们采用两个主导极点加一个离主导极点较远处的极点的配置方法,对系统的极点进行配置,设计了磁悬浮系统状态反馈控制器。通过观察仿真结果,可以看出两种线性控制器都符合我们的设计要求。通过比较仿真结果,可以看出,状态反馈控制器具有更好的干扰抑制能力。三.通过选取新的状态变量,对系统进行模型转换,我们将悬浮系统控制设计问题转换为输出调节问题。基于转换后的模型,采用backstepping设计方法,设计了非线性悬浮控制器。性能分析结果显示,将所设计的控制器应用到变换前的系统中,可以保证闭环系统中各信号均是有界的,并且,通过选择合适的控制参数,可以保证使系统的输出趋于任意给定的值。Matlab\Simulink仿真结果验证了上述结论。同时,通过仿真结果,与线性控制器控制性能进行了比较。本部分研究内容为本文的创新点,设计控制器时所采用的方法是对磁悬浮控制技术的一个有益探索。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-17
  1.1 磁悬浮技术应用背景及发展概况  9-13
  1.2 磁悬浮技术的研究意义  13-14
  1.3 磁悬浮系统控制方法研究及发展趋势  14-15
  1.4 本论文的主要研究内容  15-17
第2章典型磁悬浮系统的分析与建模  17-30
  2.1 单自由度磁悬浮系统结构及工作原理  18-19
  2.2 单自由度磁悬浮系统数学模型  19-23
  2.3 系统模型线性化处理  23-27
    2.3.1 基于平衡点展开的线性化  24-26
    2.3.2 直接反馈线性化  26-27
  2.4 悬浮系统的非线性模型  27-28
  2.5 本章小结  28-30
第3章基于线性化模型磁悬浮系统控制器设计及仿真  30-44
  3.1 PID 控制器设计  31-36
  3.2 状态反馈控制器设计  36-42
    3.2.1 状态反馈控制器设计设计过程  36-39
    3.2.2 系统仿真及性能分析  39-42
  3.3 PID 控制器与状态反馈控制器比较  42-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章 BACKSTEPPING 方法磁悬浮控制器设计  44-58
  4.1 BACKSTEPPING 设计方法介绍  44-46
  4.2 模型转换  46-47
  4.3 BACKSTEPPING 设计过程  47-50
  4.4 磁悬浮闭环系统性能分析  50-52
  4.5 系统仿真  52-57
  4.6 本章小结  57-58
第5 章总结与展望  58-59
  5.1 论文总结  58
  5.2 未来展望  58-59
参考文献  59-63
致谢  63-64
附录  64

新型磁悬浮系统控制方法研究

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