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磁悬浮运动平台控制系统设计与控制方法研究

作　者: 瞿田华
导　师: 段吉安
学　校: 中南大学
专　业: 机械工程
关键词: 磁悬浮控制系统 开关功率放大器 干扰观测器 自适应二型模糊控制器
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


磁悬浮技术具有无摩擦、无润滑、无磨损、运行无噪声、寿命长等特点。这种运动方式适合于微米级以下的精密加工。但磁悬浮系统的强非线性与机电耦合特征会降低磁悬浮的运动精度与鲁棒性。因此,整个磁悬浮系统的性能主要取决于控制系统品质的优劣。磁悬浮运动平台控制系统包含磁悬浮执行器、磁悬浮功率放大器与磁悬浮控制器,本文逐级对这些环节进行研究与设计：首先,分析磁悬浮执行器的力学特征、电学特征,推导了相关特征表达式。结合磁悬浮系统特点,利用特征表达式研究电磁铁线圈匝数和线圈直径的合理取值范围。然后,针对磁悬浮开关功率放大器反馈信号类型、调制模式与电流响应速度进行分析与比较,完成数字式功率放大器原理设计与实物调试工作,并进行了性能测定实验。实验结果表明,本文设计的数字式功率放大器实物输出精度和线性度高、响应快速、电流纹波小。为实现性能更为优良的磁通式功率放大器,引入基于干扰观测器的控制结构以提高磁通式功率放大器的输出质量。结合实际磁悬浮系统情况,应用多反馈量融合的观测方式构成新型干扰观测器控制结构。仿真结果显示,新型干扰观测器控制结构能够更好的降低磁悬浮功率放大器磁通输出抖动。相较于普通干扰观测器控制结构更适合磁通式功率放大器的应用需求。最后,引入了模糊二型自适应控制方法进行磁悬浮控制,以提高对磁悬浮系统非线性特征的适应性。该算法利用自适应结构结合二型模糊算法对控制目标进行最优鲁棒控制器回归逼近。仿真实验结果表明,该复合智能控制器相较于模糊智能控制器与线性控制器在磁悬浮系统中能够得到更好的非线性适应速度与控制效果。本文通过对执行器、功率放大器和控制器的设计与控制方法研究,提升了控制系统的响应速度和鲁棒性,并给出减小输出抖动、降低非线性程度与适应非线性特征的控制方法,对磁悬浮控制系统性能的提升有积极的作用。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 磁悬浮控制系统的研究意义  11
  1.3 磁悬浮控制系统的国内外研究现状  11-14
    1.3.1 磁悬浮执行器  11-12
    1.3.2 磁悬浮功率放大器  12-13
    1.3.3 磁悬浮控制器  13-14
  1.4 论文选题及课题来源  14
  1.5 主要研究内容及论文章节安排  14-17
    1.5.1 主要研究内容  14-15
    1.5.2 论文章节安排  15-17
第二章 磁悬浮执行器特性研究及参数设计  17-28
  2.1 磁悬浮电磁铁基本模型  17-19
  2.2 悬浮体的力学特征  19-21
    2.2.1 悬浮体的动载特性  19-20
    2.2.2 悬浮体的位移刚度  20-21
  2.3 电磁铁的频率响应  21-22
  2.4 电流响应速度与电磁力响应速度  22-23
  2.5 电磁铁参数对功率放大器的影响  23-24
  2.6 磁悬浮执行器电气参数设计  24-27
  2.7 本章小结  27-28
第三章 磁悬浮功率放大器的设计  28-49
  3.1 磁悬浮功率放大器负反馈类型比较  28-30
  3.2 调制模式分析  30-33
  3.3 数字式功率放大器的设计  33-44
    3.3.1 总体方案  33-36
    3.3.2 功率驱动电路  36-37
    3.3.3 信号检测与调理  37-38
    3.3.4 数字控制器硬件设计  38-40
    3.3.5 数字控制器软件设计  40-43
    3.3.6 电磁兼容性  43-44
  3.4 实验研究  44-48
  3.5 本章小结  48-49
第四章 磁悬浮功率放大器的新型磁通控制结构  49-60
  4.1 磁悬浮磁通式功率放大器模型分析  50-52
    4.1.1 模型建立  50-51
    4.1.2 气隙变化对系统的影响  51-52
  4.2 新型干扰观测器的设计  52-56
    4.2.1 干扰观测器原理  52-53
    4.2.2 新型干扰观测器  53-56
  4.3 仿真研究  56-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章 磁悬浮控制方法研究  60-69
  5.1 磁悬浮系统常见控制算法  60-61
  5.2 自适应二型模糊控制算法  61-65
    5.2.1 二型模糊控制算法  61-63
    5.2.2 自适应结构及稳定性设计  63-65
  5.3 算法仿真研究  65-68
  5.4 本章小结  68-69
第六章 总结与展望  69-71
  6.1 全文总结  69-70
  6.2 研究展望  70-71
参考文献  71-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间主要的研究成果  81

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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