磁懸浮球系統(tǒng)的魯棒控制研究.pdf

1、磁懸浮是利用電磁力克服重力,使物體保持懸浮的一種技術(shù)。磁懸浮系統(tǒng)具有無接觸、無摩擦等優(yōu)點,所以磁懸浮技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。磁懸浮球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單,其研究成果可以直接應(yīng)用到多自由度磁懸浮系統(tǒng)中。而且,磁懸浮球系統(tǒng)的開環(huán)不穩(wěn)定性及非線性增加了系統(tǒng)控制的難度,使其成為驗證各類控制算法的試金石。所以,對磁懸浮系統(tǒng)的研究具有很重要的現(xiàn)實意義和理論價值。
　　論文對磁懸浮球系統(tǒng)進行了理論和實驗研究。首先介紹了磁懸浮球系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其

2、工作原理,根據(jù)磁懸浮球系統(tǒng)的工作原理設(shè)計了一套實驗臺,根據(jù)該系統(tǒng)的電磁學(xué)方程、電學(xué)方程、平衡方程和動力學(xué)方程建立了數(shù)學(xué)模型。在平衡點處進行了線性化處理,得到系統(tǒng)的線性模型,并進行拉普拉斯變換得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。由開環(huán)傳遞函數(shù)可知系統(tǒng)有一個極點是正的,因此,磁懸浮球系統(tǒng)本身是不穩(wěn)定的。為了實現(xiàn)磁懸浮球系統(tǒng)的穩(wěn)定控制,必須對位置進行閉環(huán)反饋控制。由于系統(tǒng)都存在不確定性及各種外部擾動,系統(tǒng)模型是不確定的,本文對該系統(tǒng)進行了磁懸浮球系統(tǒng)的魯棒控

3、制的研究。通過合理選擇加權(quán)函數(shù)設(shè)計了H￥混合靈敏度控制器,為便于工程實現(xiàn),對H￥控制器進行了降階處理。設(shè)計了基于英飛凌XE164FN單片機的磁懸浮球控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了磁懸浮球系統(tǒng)的穩(wěn)定控制,并對實驗結(jié)果進行了詳細分析,實驗結(jié)果表明所設(shè)計的控制器是可行的。
　　本文還進行了磁懸浮球系統(tǒng)的執(zhí)行器/傳感器一體化設(shè)計方法的研究。由于位置傳感器的存在,使系統(tǒng)的動態(tài)性能降低,可靠性降低,并且傳感器的靈敏度、工作點和分辨率等易受環(huán)境等外部因素的影

4、響,導(dǎo)致系統(tǒng)魯棒性較差。一體化設(shè)計可以減小磁懸浮系統(tǒng)的尺寸,提高系統(tǒng)的可靠性,降低磁懸浮系統(tǒng)成本。一體化設(shè)計的難點是無傳感器位置估計技術(shù)。分析了位置估計方法的原理,即線圈電感與氣隙大小有關(guān),而且線圈的電感又與線圈的電壓和電流有關(guān)。位置估計法的關(guān)鍵是在線圈電流中產(chǎn)生一個連續(xù)的擾動,本文通過采用PWM控制的橋式電路中產(chǎn)生的開關(guān)紋波來進行位置估計。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律由電磁鐵線圈電感與電壓和電流的關(guān)系,建立了基于最小二乘法估計位置的數(shù)學(xué)模型