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磁悬浮系统变结构控制

韩士成  
【摘要】:磁悬浮是利用电磁力使悬浮体悬浮于空间,实现悬浮体没有机械接触的一种技术。由于磁悬浮系统噪声小、无摩擦和损耗小等优点使得磁悬浮技术在轴承,列车和心脏泵等方面都具有非常广阔的应用前景,越来越受到人们的重视,磁悬浮控制性能的好坏主要取决于控制技术,因此,对其控制技术的研究具有重要意义。本文以磁悬浮系统为平台,研究其控制技术与方法。参数摄动和外干扰引起的不确定因素是高性能磁悬浮控制的难点,而滑模变结构控制作为一种非线性控制方法,其具有的快速响应及对系统参数摄动和外部干扰的强鲁棒性等特性受到重视,本文着重研究变结构控制技术在磁悬浮控制系统中的应用。本文针对磁悬浮球位置控制系统进行研究。首先,根据受力分析得到磁悬浮球控制系统的数学模型,进一步通过线性化得到了磁悬浮系统的状态方程。其次,分析了磁悬浮球系统中的不确定性,设计了基于磁悬浮球的传统滑模变结构控制器,通过李雅普诺夫理论证明系统的稳定性,仿真与实验验证了传统滑模变结构控制器较常规PID控制器的优越性。此外,针对传统滑模变结构控制器存在较大的控制量颤振的问题,本文对幂次趋近律加以改进,提出了改进幂次趋近律,该新型趋近律分别和传统滑模面、互补滑模面和分数阶滑模面相结合的对比结果表明,该改进幂次趋近律与传统滑模面相结合能够达到较好的控制效果。常规幂次趋近律、所提改进幂次趋近律、超螺旋、指数趋近律分别和传统滑模面相结合的对比结果表明,该新型改进趋近律能够获得良好的趋近性能和削弱颤振效果。本文提出变增益比例鲁棒项滑模控制方法,对改进幂次趋近律与传统滑模面结合实现变增益比例趋近律控制,进一步的提升了系统响应速度,当期望位置分别给定为常值、正弦和方波信号,变增益比例鲁棒项滑模控制方法都表现出更好的趋近性能,通过仿真与实验对比结果可知,变增益比例滑模控制算法在不影响稳态性能的条件下能够有效地提升系统响应速度,保证被控系统的运动状态能跟踪期望轨迹。


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