磁悬浮平台控制系统的研究

摘要

磁悬浮技术是利用电磁力将物体悬浮于空间中的一种新的支承技术，其零摩擦、噪声低、寿命长、无需润滑等优点，使得磁悬浮技术越来越受到重视，具有很好的发展前景，因此，对磁悬浮技术的研究有着非常重要的意义。磁悬浮平台作为磁悬浮技术的一种应用，近年来倍受关注。磁悬浮平台的承载特性与悬浮精度主要取决于平台的结构和控制系统，同时控制系统的品质直接决定了平台的悬浮效果，因此，对磁悬浮平台控制系统的研究尤为关键。
　　本文以磁悬浮平台控制系统为研究对象，分析了磁悬浮系统的工作原理，对平台执行装置的结构进行设计研究:以解决平台在悬浮和平动过程中的俯仰、摇摆和偏航问题为目标，建立了磁悬浮执行装置的数学模型，并对模型进行了误差分析。
　　在数学模型的基础上，设计了磁悬浮平台的控制系统:采用分散控制方法，建立了PID控制系统各部件的控制方程和系统的综合状态方程。对控制系统的稳定域进行推导，并对稳定域进行了仿真验证。推导出PID控制器比例、积分和微分系数的计算公式并确定了控制器的最优参数，进行了平台起浮过程的仿真和控制系统硬件电路的设计。
　　针对平台单端控制的低频扰动问题，分析了磁悬浮平台系统在最优参数下的刚度和阻尼，发现了系统低频段的负阻尼特性是导致平台失稳的主要原因，通过将控制系统改为PD控制解决了低频扰动问题。
　　针对单端控制中PID控制器无法同时实现低超调量和高控制速度的局限性，将模糊控制与PID控制相结合，实现了控制参数的自动调整。分析和设计了磁悬浮平台的模糊PID控制器，对磁悬浮平台进行了起浮过程和抗冲击扰动的仿真。本文对模糊PID控制器与PID控制器的效果进行对比。
　　最后测试了控制电路性能，并进行了平台的悬浮实验，实验结果表明平台起浮迅速，超调量小，悬浮稳定，对冲击力扰动具有快速恢复的能力，鲁棒性强，实现了平台的五自由度控制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁悬浮技术发展历史概述

1．1．1 国外磁悬浮技术发展

1．1．2 国内磁悬浮技术发展

1．2 磁悬浮平台

1．3 磁悬浮系统控制算法概述

1．3．1 模拟控制与数字控制

1．3．2 PID控制算法

1．3．3 模糊控制

1．4 论文主要研究问题及内容安排

第二章 磁悬浮平台执行装置的结构分析与建模

2．1 磁悬浮平台系统介绍

2．1．1 磁悬浮系统工作原理

2．1．2 磁悬浮系统基本结构

2．2 磁悬浮平台执行装置的结构设计

2．2．1 结构设计难点

2．2．2 执行装置的结构分析

2．2．3 侧向自回复力分析

2．3 平台执行装置数学模型的建立

2．3．1 执行装置的力学模型

2．3．2 执行装置的电学模型

2．4 电磁力线性化模型分析

2．4．1 电磁力与位移的线性化分析

2．4．2 电磁力与电流的线性化分析

2．5 执行装置模型的误差分析

2．6 小结

第三章 磁悬浮平台控制系统设计与低频扰动的分析

3．1 控制策略的选择

3．3 PID控制算法介绍

3．4 控制系统稳定性分析

3．4．1 系统微分方程建立

3．4．2 系统的综合机电方程

3．4．3 系统的稳定域计算

3．5 PID控制器参数整定

3．6 系统仿真

3．7 控制器电路设计

3．8 低频扰动现象分析

3．8．1 低频扰动现象

3．8．2 系统刚度和阻尼的分析

3．8．3 低频扰动问题的解决

3．9 小结

第四章 磁悬浮平台的模糊PID控制器设计

4．1 数字PID控制原理

4．1．1 位置式控制算法

4．1．2 增量式控制算法

4．2 模糊控制器基本原理

4．2．1 模糊控制器基本机构

4．2．2 模糊控制器原理

4．3 模糊PID控制器

4．3．1 模糊PID控制器结构

4．3．2 模糊PID控制器设计

4．4 模糊PID控制系统仿真实验

4．5 小结

第五章 磁悬浮平台实验与分析

5．1 控制器的性能测试

5．2 平台悬浮实验

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 论文完成的主要工作

6．2 对论文的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的项目