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静电悬浮系统离散滑模控制的研究

吴黎明  
【摘要】:静电悬浮是依靠可控的静电力将悬浮体无接触、无摩擦地支承起来,其显著特点是既适用于导体和非导体的悬浮,又适用于磁性体和非磁性体的悬浮,克服了磁悬浮技术仅适用于磁性体的局限性。静电陀螺是静电悬浮技术的重要应用,它是当今国际上公认的高精度自主式惯性导航仪表。由于静电陀螺悬浮系统存在系统参数变化和外部扰动的影响,因此悬浮控制系统的设计就成为静电陀螺的关键技术之一。通常的线性控制方法鲁棒性较差,难以满足高性能悬浮系统的指标要求,而离散滑模控制具有很强的鲁棒性,对系统参数变化和外部扰动具有很强的抑制能力,因而很适合用于设计静电陀螺悬浮控制系统。 本文将离散滑模控制理论应用于静电陀螺悬浮系统,根据陀螺转子静电力方程以及各环节特性(包括高压放大器、测量环节和数字控制器的滞后环节),建立考虑系统参数变化的广义被控对象离散状态空间表达式。在离散域设计线性扰动观测器,进行前馈补偿,抵消一部分或全部扰动力,然后设计离散滑模观测器,使得状态误差在存在外部扰动和系统参数变化的情况下,可以在有限拍内收敛到零,提高观测器鲁棒性。在离散域设计积分型离散滑模控制器,首先采用极点配置法设计带有积分项的线性控制项,然后设计不连续控制项和带有边界层的扰动控制项。为了便于控制算法之间的比较,设计了静电悬浮系统的滞后—超前校正和线性状态反馈控制。 采用MATLAB SIMULINK实现以上控制算法,然后从时域、频域和鲁棒性等方面比较各种控制算法的性能。与滞后—超前校正相比,采用离散滑模控制时,阶跃响应的超调量降低40%,调整时间缩短60%;对于外部的振动和过载冲击,陀螺转子偏移量分别减小80%和87%:闭环带宽仍位于600Hz~800Hz之间,闭环谐振峰降低6.32dB,而且在高频段具有更大衰减率;刚度曲线在低频段提高了一个数量级,在中频段刚度曲线最低点的刚度值提高2.85倍;抑制系统参数变化和外部扰动的能力显著增强,充分体现了滑模控制的强鲁棒性。 采用DSP仿真系统进行电模拟实验,将控制算法编制成汇编语言,经调试通过后,在DSP仿真系统上运行,比较各种算法性能,进一步验证离散滑模控制的鲁棒性。 将滑模控制理论应用于静电陀螺悬浮控制系统可以极大地提高悬浮系统的鲁棒性,对于静电陀螺长时间稳定工作具有重要意义。


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