基于反馈线性化的磁悬浮系统的控制方法研究

论文摘要

本文针对机床中存在的摩擦问题,提出了在龙门移动式数控机床中采用磁悬浮技术,将移动横梁悬浮在静止导轨上方,使其与导轨不发生接触,彻底消除摩擦,实现精加工。研究目标主要是针对具体结构下龙门横梁的磁悬浮机理与保持悬浮气隙高度控制过程提出一套解决措施,消除各种扰动对悬浮高度的影响,确保横梁悬浮的稳定性和悬浮高度的精确性。首先,在阅读了大量国内外参考文献的基础上,综述了磁悬浮技术的发展和现状,阐述了磁悬浮技术的特点及应用。其次,对龙门移动式数控机床悬浮横梁的结构作了详细的介绍,并分析了移动横梁的悬浮原理,建立了该系统的数学模型。在此基础上,运用反馈线性化方法对系统的非线性模型进行线性化处理,分别得到线性电压控制模型和电流控制模型。然后,采用经典控制策略—线性状态反馈控制和PI状态反馈控制,设计了两种控制器,分别对磁悬浮系统进行控制。最后,引入现代控制技术—滑模变结构控制。在该控制器的设计中加入了积分环节,能够消除稳态误差,提高系统的精确性。本论文使用Matlab仿真软件,分别将这几种控制器应用于磁悬浮系统的模型上,得出仿真结果,并分析、比较了不同控制方法对磁悬浮系统的控制性能的好坏。与经典控制策略相比,滑模变结构控制鲁棒性强,可靠性高。在龙门移动式数控机床中采用磁悬浮技术来消除摩擦,再利用现代控制方法来提高悬浮系统的鲁棒性,二者有机的结合可以满足机床的高精度加工要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮技术的发展
• 1.2 国内外现状和前景
• 1.3 研究磁悬浮技术的意义
• 1.4 磁悬浮系统的控制特点
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第二章 电磁悬浮系统原理及数学模型
• 2.1 磁悬浮系统的结构及工作原理
• 2.2 建立单铁磁悬浮系统模型
• 2.2.1 电磁力方程
• 2.2.2 电学方程
• 2.2.3 运动方程
• 2.2.4 状态空间方程及模型方框图
• 第三章 单电磁悬浮系统的反馈线性化
• 3.1 非线性系统
• 3.2 反馈线性化方法
• 3.3 数学预备知识
• 3.3.1 相对阶
• 3.3.2 对合分布
• 3.4 状态反馈精确线性化原理
• 3.4.1 状态精确线性化问题有解的条件
• 3.4.2 反馈变换与状态变换
• 3.5 线性化处理过程
• 第四章 状态增益反馈控制器的设计
• 4.1 自动控制系统概述
• 4.2 状态能控性
• 4.2.1 状态能控的概念
• 4.2.2 开环系统状态能控与任意配置闭环极点
• 4.3 设计规律
• 4.4 控制器设计过程
• 4.5 PI状态反馈控制
• 4.5.1 PI控制器设计的原理
• 4.5.2 系统的可控性
• 4.5.3 求PI状态反馈阵
• 第五章 基于反馈线性化的滑模变结构控制
• 5.1 滑模变结构控制的发展概况
• 5.2 滑模变结构控制基本原理
• 5.2.1 滑动模态的概念及数学表达
• 5.2.2 滑模变结构控制的定义
• 5.2.3 滑模控制的基本问题
• 5.3 滑模变结构控制的抖振问题
• 5.4 滑模控制器设计
• 5.4.1 滑模控制方法
• 5.4.2 滑模变结构控制系统设计的基本步骤
• 5.4.3 积分滑模控制器设计
• 第六章 仿真实验
• 6.1 MATLAB/Simulink简介
• 6.2 磁悬浮系统的仿真
• 6.3 仿真结果分析
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢