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数控机床磁悬浮系统的状态反馈自适应控制器设计

作　者: 任宏彬
导　师: 王丽梅
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 磁悬浮状态反馈控制模型参考自适应控制自校正控制
分类号: TP273.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 54次
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内容摘要

在数控机床中,移动部件和静止导轨之间存在着摩擦,这种摩擦的存在严重地影响了系统的性能。首先,它增加了驱动部件的功率损耗,降低了效率以及运动副的使用寿命。其次,它增加了运动噪声,限制了机床的控制精度。本文采用磁悬浮技术来消除移动部件和静止导轨之间的摩擦,并提出采用状态反馈控制、模型参考自适应控制及自校正控制方法设计控制器,保证了数控机床的横梁两端悬浮的稳定性及精确性。首先,在阅读了大量国内外相关文献资料的基础上,对磁悬浮技术的研究状况及应用领域进行了综述,并且阐述了目前的控制方法及控制精度。其次,阐述了磁悬浮系统的工作原理,并以单电磁铁为例建立了数学模型。针对非线性数学模型,本文采用了在平衡点附近局部线性化以及反馈线性化的方法,分别得到了线性的数学模型。再次,通过磁悬浮系统的状态方程,分析了磁悬浮系统的能控性和能观性。接着介绍了极点配置的方法,并分别采用状态反馈控制和引入误差积分的状态反馈控制方法对磁悬浮系统进行控制器设计。仿真结果表明,磁悬浮系统具有较好的稳定性和快速性。最后,介绍了自适应控制技术的定义、特征、及其结构,然后详细论述了模型参考自适应控制器及自校正控制器的设计方法。本文采用梯度法及稳定性方法进行模型参考自适应控制器设计,并基于PID结构设计自校正控制器,并通过仿真分析了不同控制方法对磁悬浮系统动态性能及稳态性能的影响。仿真结果表明,系统具有较好的动态性能,而且能在扰动作用下精确地悬浮在给定高度上。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 课题的背景及研究意义  10-11
  1.2 磁悬浮技术的研究状况及应用  11-13
  1.3 非线性控制技术及其发展状况  13-17
  1.4 本文的主要研究内容  17-18
第二章磁悬浮系统数学模型及线性化方法  18-30
  2.1 单电磁铁悬浮系统的工作原理  18-19
  2.2 单电磁铁悬浮系统的非线性数学模型  19-21
  2.3 平衡点附近局部线性化  21-23
  2.4 非线性反馈线性化  23-29
    2.4.1 非线性反馈线性化理论  23-24
    2.4.2 磁悬浮系统的非线性反馈线性化  24-29
  2.5 小结  29-30
第三章状态反馈控制器设计  30-40
  3.1 系统的能控性和能观性  30-31
  3.2 状态反馈控制  31-35
    3.2.1 状态反馈控制器设计  31-33
    3.2.2 系统仿真  33-35
  3.3 引入误差积分的状态反馈控制  35-39
    3.3.1 误差积分状态反馈控制器设计  35-37
    3.3.2 系统仿真  37-39
  3.4 小结  39-40
第四章自适应控制器设计  40-59
  4.1 自适应控制的定义与特征  40
  4.2 自适应控制系统的结构  40-43
    4.2.1 自校正控制系统  40-42
    4.2.2 模型参考自适应控制系统  42
    4.2.3 其他自适应控制系统  42-43
  4.3 模型参考自适应控制器设计  43-55
    4.3.1 用梯度法设计模型参考自适应控制器  43-45
    4.3.2 用稳定性方法设计模型参考自适应控制器  45-54
    4.3.3 系统仿真  54-55
  4.4 基于PID结构的自校正控制器设计  55-59
    4.4.1 PID控制器的表达形式  55-56
    4.4.2 基于PID结构的间接自校正控制  56-59
第五章结论  59-60
参考文献  60-63
附录A 模型参考自适应控制程序  63-65
在学研究成果  65-66
致谢  66

数控机床磁悬浮系统的状态反馈自适应控制器设计

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