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(wú)接觸、無(wú)摩擦等優(yōu)點(diǎn),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(jiǎn)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(kāi)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(yàn)證各類(lèi)控制算法的試金石。所以,對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。
　　論文對(duì)磁懸浮球系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)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(jì)了一套實(shí)驗(yàn)臺(tái),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(dòng)力學(xué)方程建立了數(shù)學(xué)模型。在平衡點(diǎn)處進(jìn)行了線性化處理,得到系統(tǒng)的線性模型,并進(jìn)行拉普拉斯變換得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。由開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可知系統(tǒng)有一個(gè)極點(diǎn)是正的,因此,磁懸浮球系統(tǒng)本身是不穩(wěn)定的。為了實(shí)現(xiàn)磁懸浮球系統(tǒng)的穩(wěn)定控制,必須對(duì)位置進(jìn)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(dòng),系統(tǒng)模型是不確定的,本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了磁懸浮球系統(tǒng)的魯棒控

3、制的研究。通過(guò)合理選擇加權(quán)函數(shù)設(shè)計(jì)了H￥混合靈敏度控制器,為便于工程實(shí)現(xiàn),對(duì)H￥控制器進(jìn)行了降階處理。設(shè)計(jì)了基于英飛凌XE164FN單片機(jī)的磁懸浮球控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了磁懸浮球系統(tǒng)的穩(wěn)定控制,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器是可行的。
　　本文還進(jìn)行了磁懸浮球系統(tǒng)的執(zhí)行器/傳感器一體化設(shè)計(jì)方法的研究。由于位置傳感器的存在,使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能降低,可靠性降低,并且傳感器的靈敏度、工作點(diǎn)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(jì)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(jì)的難點(diǎn)是無(wú)傳感器位置估計(jì)技術(shù)。分析了位置估計(jì)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(jì)法的關(guān)鍵是在線圈電流中產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的擾動(dòng),本文通過(guò)采用PWM控制的橋式電路中產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)紋波來(lái)進(jìn)行位置估計(jì)。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(jì)位置的數(shù)學(xué)模型