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磁悬浮球系统的鲁棒控制研究

李广  
【摘要】:磁悬浮是利用电磁力克服重力,使物体保持悬浮的一种技术。磁悬浮系统具有无接触、无摩擦等优点,所以磁悬浮技术有着广阔的应用前景。磁悬浮球系统结构比较简单,其研究成果可以直接应用到多自由度磁悬浮系统中。而且,磁悬浮球系统的开环不稳定性及非线性增加了系统控制的难度,使其成为验证各类控制算法的试金石。所以,对磁悬浮系统的研究具有很重要的现实意义和理论价值。 论文对磁悬浮球系统进行了理论和实验研究。首先介绍了磁悬浮球系统的系统结构组成及其工作原理,根据磁悬浮球系统的工作原理设计了一套实验台,根据该系统的电磁学方程、电学方程、平衡方程和动力学方程建立了数学模型。在平衡点处进行了线性化处理,得到系统的线性模型,并进行拉普拉斯变换得到系统的传递函数。由开环传递函数可知系统有一个极点是正的,因此,磁悬浮球系统本身是不稳定的。为了实现磁悬浮球系统的稳定控制,必须对位置进行闭环反馈控制。由于系统都存在不确定性及各种外部扰动,系统模型是不确定的,本文对该系统进行了磁悬浮球系统的鲁棒控制的研究。通过合理选择加权函数设计了H混合灵敏度控制器,为便于工程实现,对H控制器进行了降阶处理。设计了基于英飞凌XE164FN单片机的磁悬浮球控制系统。实现了磁悬浮球系统的稳定控制,并对实验结果进行了详细分析,实验结果表明所设计的控制器是可行的。 本文还进行了磁悬浮球系统的执行器/传感器一体化设计方法的研究。由于位置传感器的存在,使系统的动态性能降低,可靠性降低,并且传感器的灵敏度、工作点和分辨率等易受环境等外部因素的影响,导致系统鲁棒性较差。一体化设计可以减小磁悬浮系统的尺寸,提高系统的可靠性,降低磁悬浮系统成本。一体化设计的难点是无传感器位置估计技术。分析了位置估计方法的原理,即线圈电感与气隙大小有关,而且线圈的电感又与线圈的电压和电流有关。位置估计法的关键是在线圈电流中产生一个连续的扰动,本文通过采用PWM控制的桥式电路中产生的开关纹波来进行位置估计。根据法拉第电磁感应定律由电磁铁线圈电感与电压和电流的关系,建立了基于最小二乘法估计位置的数学模型。然后设计了基于英飞凌XE164FN单片机的一体化设计的磁悬浮球系统。实验结果验证了基于最小二乘法的位置估计方法的有效性。


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