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磁悬浮控制系统的分析与设计

作　者: 戚建成
导　师: 何朕
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 磁悬浮反馈线性化状态观测器变结构控制数字控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文的研究对象是美国ECP公司生产Model730磁悬浮实验装置，由力学知识得到非线性动态方程的基础上，应用平衡点附近线性化和反馈线性化两种线性化方法，建立了磁悬浮系统的两种线性化模型。针对这两种线性化模型设计PD控制器，通过实验给出这两种线性化方法的差别。对两种数学模型分别设计了状态反馈控制器，在设计状态反馈控制器时，由于并不是所有的状态都是可测，针对这种情况设计了状态观测器和直接用差分方程实现对速度状态的估计。针对所设计的状态反馈控制器存在稳态误差的现象，把积分环节加入控制系统的前向通道中，达到消除了稳态误差的目的。但是引入积分环节，由于实验装置中玻璃棒与磁铁存在摩擦，存在滞-滑现象，为了克服这种现象用了PD-PI切换控制器，能够减小这种不利影响。本文还针对反馈线性化模型设计了变结构控制器，变结构控制对系统的摄动、干扰具有不敏感特性。首先在MATLAB中进行了仿真，然后针对实际系统中是采用离散形式的控制器，因此设计离散变结构控制器，在实际验证中能够实现对磁铁的稳定悬浮，并与PD控制器进行对比。为减小抖振，应用自适应离散变结构控制器，通过实验表明该控制器，不仅能够实现磁铁的稳定悬浮，而且具有良好的动态过程。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-13
  1.1 课题研究意义与目的  8
  1.2 磁悬浮技术的发展  8-10
  1.3 磁悬浮控制方法综述  10-11
  1.4 本课题主要研究内容与结构  11-13
第2章磁悬浮装置的数学模型  13-28
  2.1 磁悬浮装置介绍  13-14
  2.2 建立磁悬浮装置的数学模型  14-21
    2.2.1 平衡点附近线性化模型  16-17
    2.2.2 反馈线性化之后的数学模型  17-21
  2.3 参数辨识  21-25
    2.3.1 传感器参数的标定  21-22
    2.3.2 驱动线圈参数的标定  22-24
    2.3.3 磁铁之间相互作用力的标定  24-25
  2.4 线性化模型的特性  25-27
    2.4.1 平衡点附近的线性化模型的特性  25-26
    2.4.2 反馈线性化模型的特性  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章磁悬浮装置状态反馈控制器设计  28-47
  3.1 基于平衡点处线性化模型的状态反馈设计  28-34
    3.1.1 利用位置、速度信号的状态反馈控制设计与仿真  28-29
    3.1.2 利用状态观测器实现状态反馈控制设计与仿真  29-32
    3.1.3 基于平衡点线性化模型控制器的实现  32-34
  3.2 基于非线性反馈线性化模型的状态反馈控制  34-38
    3.2.1 利用位置、速度信号的状态反馈控制设计与仿真  34-35
    3.2.2 利用状态观测器的状态反馈控制设计与仿真  35-36
    3.2.3 基于反馈线性化模型控制器的实现  36-38
  3.3 两种线性化方法的比较  38-40
  3.4 基于状态反馈控制器的改进  40-46
    3.4.1 PI 加状态反馈控制器的设计与仿真  41-43
    3.4.2 PI 加状态反馈控制器的实现  43-44
    3.4.3 切换控制器的设计与实现  44-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章磁悬浮装置的变结构控制器设计  47-63
  4.1 变结构控制概述  47-48
  4.2 变结构的基本原理  48-49
    4.2.1 变结构控制的定义  48
    4.2.2 滑动模态的到达条件及等效控制  48-49
  4.3 连续变结构控制器的设计与仿真  49-52
    4.3.1 切换函数的设计  49-50
    4.3.2 磁悬浮变结构控制器的设计及仿真  50-52
  4.4 离散变结构控制器的设计与实现  52-59
    4.4.1 离散变结构控制器的设计  52-53
    4.4.2 离散变结构控制器的实时控制  53-55
    4.4.3 PD 控制器设计  55-56
    4.4.4 两种控制器的性能对比  56-57
    4.4.5 离散变结构控制器的改进  57-59
  4.5 自适应离散变结构控制器  59-62
    4.5.1 离散指数趋近率的抖振分析  59-60
    4.5.2 自适应离散变结构控制器的设计与实现  60-62
  4.6 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-68
攻读学位期间发表的学术论文  68-70
致谢  70

磁悬浮控制系统的分析与设计

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