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主动磁力轴承模糊控制的相关理论与技术研究

苏义鑫  
【摘要】: 主动磁力轴承(简称磁力轴承)是利用电磁力使转轴稳定悬浮的一种新型轴承,具有许多传统机械轴承无法比拟的优点,比如:无接触、无摩擦、高速运行等。但它是一个非线性和开环不稳定的系统,对控制系统的依赖性很大。本文重点研究主动磁力轴承的模糊建模与模糊控制,主要做了以下几个方面的工作。 分析了磁力轴承PID控制算法和改进PID算法,给出了PID控制参数整定的原则;讨论了基于Simulink和S函数的仿真方法;用改进的ITAE性能指标评价系统的性能,采用单纯形法对PID参数进行了优化。 为了充分利用比例控制、模糊控制和PID控制各自的优点,将比例-模糊-PID多模控制器引入磁力轴承的控制。在偏差大时,采用比例控制;在偏差较大时,采用模糊控制;而在偏差较小时,采用PID控制。该控制器能使转子快速、平稳地起浮,且无稳态误差,但切换阈值的选择比较困难。 提出了一种磁力轴承拟合修正因子模糊控制器设计方法。采用单纯形法对4修正因子模糊控制器的4个修正因子进行优化,以使改进的ITAE性能指标最小。在拟合修正因子模糊控制器中,采用一个3阶多项式对优化得到的4个修正因子运用最小二乘法进行逼近,且不再对输入和输出进行量化处理。仿真结果表明拟合修正因子模糊控制器有很好的控制效果,有效地改善了磁力轴承的动态性能和稳态性能。 提出了一种建立磁力轴承正向T-S模糊模型和逆T-S模糊模型的方法。正向T-S模糊模型和逆T-S模糊模型的主要差别是输入和输出变量不同。正向T-S模糊模型的输入为控制电流和转子位移,输出为电磁力。而逆模型的输入为电磁力和转子位移,输出为控制电流。该方法将模糊聚类分析、最小二乘法和残差分析有机结合,采用模糊C-均值聚类分析方法确定前提结构和参数,采用最小二乘法确定结论参数,并通过对残差的分析进一步确定模糊规则的数目。仿真结果表明所获得的T-S模糊模型和逆T-S模糊模型有很高的拟合精度。 提出了一种基于非线性力函数逆T-S模糊模型的磁力轴承逆控制器。将磁力轴承的逆T-S模糊模型与磁力轴承系统相串联,构成一个伪线性对象,然后按照线性系统理论设计线性PID控制器。PID控制器和逆T-S模糊模型构成了逆控制器。仿真结果表明所提方法是有效的。采用基于逆T-S模糊模型的控制方法后,系统比PID控制有更好的动态性能和更强的抗干扰性能,且转子能在更宽的范围内工作。 利用并行分布式补偿器的思想,提出了一种基于T-S模糊模型的磁力轴承模糊控制方法。针对模糊模型后件所表示的线性系统,采用线性系统理论中极点配置的方法,设计线性的状态反馈控制器,并将各状态反馈控制器的输出以隶属度函数为权值加权求和作为控制器的输出。仿真结果验证了所提方法的有效性。 介绍了所设计的以TMS320LF2407A为控制核心的磁力轴承系统硬件平台和控制软件的设计思路,对关键问题进行了讨论。对于磁悬浮转子,在测量中心位置时,径向各个自由度之间会相互影响,导致对中心位置的测量无法一次完成。在单自由度中心位置测量方法的基础上,给出了一种逐步求精的迭代方法。


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