磁悬浮球控制系统离散滑模控制研究

摘要

磁悬浮技术的主要工作原理是通过电磁铁产生的动态电磁吸力克服物体自身重力和外部干扰，从而使物体保持稳定的悬浮状态。磁悬浮技术的最大特点是系统的运行过程中没有摩擦力，避免了系统由于机械接触产生的磨损和能量损耗。正是由于以上特点，磁悬浮技术在工业生产、交通运输和医疗器械等有着特殊需求的使用场合有着明显的性能优势。
　　磁悬浮球控制系统是一种基本的磁悬浮结构，其他复杂的磁悬浮控制系统结构可以借鉴磁悬浮球系统的研究成果。系统运行过程中，外界扰动、测量噪声及系统自身的参数摄动都会对系统的稳定性产生不利影响。所以对于磁悬浮球系统进行控制系统设计和控制算法方面的研究，不但可以对计算机采样控制方案形成更加深刻的理解，而且系统复杂的运行条件可以成为检验控制算法优劣的验证平台。
　　本文在总结前人研究的成果上，基于 STM32单片机设计了单自由度的磁悬浮球控制平台。在离散控制系统中采用基于指数趋近律的滑模控制时控制器会产生比较大的输出震荡，本文通过对磁悬浮球控制系统使用了一种改进趋近律来消除上述震荡。另外系统传感器的测量噪声会对控制器准确判断系统的状态产生不良的影响，在测量噪声和系统过程噪声的共同作用下会使控制系统产生剧烈的震荡。因此需要设计合理的滤波器完成对系统的有效滤波。由于实际系统同理论模型之间总是存在差异，这会导致使用卡尔曼滤波时系统的滤波效果变差。
　　本文通过采用渐消记忆滤波法增加新测量数据所占比重来解决上述问题。仿真和实验结果表明以上的控制策略对磁悬浮球系统的稳定控制有着明显的控制效果。

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1 绪论

1.1研究的目的和意义

1.2当前磁悬浮技术的发展状况

1.3磁悬浮技术的控制方法

1.4磁悬浮技术的发展趋势

1.5论文的主要工作与内容安排

2 磁悬浮球系统的模型分析和参数设计

2.1系统的基本组成和工作原理分析

2.2磁悬浮球系统的数学模型

2.3电磁铁设计

2. 4系统的稳定性分析及模型离散化方法

2.5磁悬浮球系统的闭环控制

2.6本章小结

3 磁悬浮球系统控制平台设计

3.1悬浮体位置检测方法

3.2功率放大器设计

3.3控制器设计

3.4磁悬浮球系统的控制流程

3.5本章小结

4 离散滑模控制在磁悬浮球系统中的应用

4.1滑模控制的工作原理

4.2滑模控制的趋近律理论

4.3滑模控制抖振问题

4.4磁悬浮球离散系统控制器输出抖振及抑制方法

4.5渐消记忆滤波方法应用于系统的位置估计

4.6本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献