单电磁铁悬浮系统的积分滑模控制研究

摘要

磁悬浮列车作为一种新型的城市轨道交通工具，具有运行速度快、对环境污染小、爬坡能力强、可靠舒适度高、转弯半径小等优点，其发展及应用前景广阔。由于磁浮列车采用的是模块化结构，从而降低了系统中各悬浮控制点之间的机械耦合强度。这样对多点悬浮控制系统的研究就可以转化为对单个悬浮控制点的研究，而每个悬浮控制点又可视为单磁铁悬浮系统。
　　论文以实验室悬浮小车的单电磁铁悬浮系统为研究对象，主要从悬浮控制算法的角度对系统进行研究。首先介绍了单电磁铁悬浮系统的特点、课题研究的背景、意义及磁悬浮控制技术的发展状况。
　　其次，建立了单电磁铁悬浮系统的数学模型，分析了系统模型非线性、参数不确定的特点。讨论了基于平衡点附近线性化的传统控制策略的局限性，针对这一问题，论文研究了基于反馈线性化的单电磁铁悬浮控制方法。
　　再次，本文运用单电磁铁的反馈线性化模型设计了一种积分滑模变结构控制器，该控制器采用一种新型的饱和函数克服了传统积分滑模控制由于积分Windup效应，导致系统不稳定的缺点;为进一步抑制滑模控制中存在的抖振问题，采用了一种新的变指数趋近率，解决了传统指数趋近率最后不能趋近于原点的问题;引入了k|s|(v)s项自适应调节趋近速率，提高了趋近滑动模态的速率。
　　最后，论文使用MATLAB的Simulink仿真环境对文中所提控制算法的单电磁铁悬浮系统进行了仿真实验，实验结果表明，相比传统控制策略，文中所提的改进型积分滑模控制响应速度快、鲁棒性好、抗干扰能力强。为进一步验证控制算法的有效性，开展了单电磁铁的悬浮控制实验，采用数字信号处理器TMS320F2812实现了系统的数字控制，实验结果证明了本文引入的积分滑模控制在控制单电磁铁悬浮系统的优越性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题的研究意义

1．2 磁悬浮控制技术的发展与研究现状

1．3 论文主要研究内容及章节安排

第2章 单电磁铁悬浮系统的建模与分析

2．1 单电磁铁悬浮系统数学模型

2．2 基于平衡点附近线性化的系统模型

2．2．1 系统数学模型的建立

2．2．2 系统双闭环控制

2．2．3 电流内环的设计

2．2．4 位置外环的设计

2．3 基于反馈线性化的系统模型

2．3．1 电压控制模型的反馈线性化

2．3．2 电流控制模型的反馈线性化

2．3．3 两种模型的比较

2．4 单电磁铁状态反馈控制器的设计

2．4．2 基于负载扰动的状态反馈线性化控制器的设计

2．4 仿真对比与分析

2．4．1 基于平衡点线性化的仿真分析

2．4．2 基于反馈线性化的仿真分析

2．4．3 基于负载扰动的反馈线性化的仿真分析

2．5 本章小结

第3章 系统的积分滑模控制器的设计

3．1 滑模变结构控制

3．1．1 滑模变结构控制的概念与特点

3．1．2 VSC控制器的设计

3．1．3 滑模控制器的抖振问题

3．2 传统积分滑模控制器的设计

3．3 抗饱和函数的积分滑模控制器

3．4 改进趋近率的积分滑模控制器

3．5 仿真分析

3．6 本章小结

第4章 单电磁铁悬浮系统的软硬件设计

4．1 系统整体结构概述

4．2 单电磁铁悬浮系统硬件设计

4．2．1 系统硬件平台简介

4．2．2 功率放大器

4．2．3 控制器及信号调理电路

4．3 单电磁铁悬浮系统软件设计

4．3．1 软件总体设计

4．3．2 主程序设计

4．3．3 控制算法子程序

4．3．3 滤波子程序

4．4 本章小结

第5章 系统实验结果及分析

5．1 软启动及软降落实验

5．2 PID控制悬浮实验

5．3 积分滑模控制悬浮实验

5．3 改进积分滑模控制悬浮实验

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文