主动磁力轴承模糊控制的相关理论与技术研究

论文摘要

主动磁力轴承（简称磁力轴承）是利用电磁力使转轴稳定悬浮的一种新型轴承,具有许多传统机械轴承无法比拟的优点,比如:无接触、无摩擦、高速运行等。但它是一个非线性和开环不稳定的系统,对控制系统的依赖性很大。本文重点研究主动磁力轴承的模糊建模与模糊控制,主要做了以下几个方面的工作。分析了磁力轴承PID控制算法和改进PID算法,给出了PID控制参数整定的原则;讨论了基于Simulink和S函数的仿真方法;用改进的ITAE性能指标评价系统的性能,采用单纯形法对PID参数进行了优化。为了充分利用比例控制、模糊控制和PID控制各自的优点,将比例-模糊-PID多模控制器引入磁力轴承的控制。在偏差大时,采用比例控制;在偏差较大时,采用模糊控制;而在偏差较小时,采用PID控制。该控制器能使转子快速、平稳地起浮,且无稳态误差,但切换阈值的选择比较困难。提出了一种磁力轴承拟合修正因子模糊控制器设计方法。采用单纯形法对4修正因子模糊控制器的4个修正因子进行优化,以使改进的ITAE性能指标最小。在拟合修正因子模糊控制器中,采用一个3阶多项式对优化得到的4个修正因子运用最小二乘法进行逼近,且不再对输入和输出进行量化处理。仿真结果表明拟合修正因子模糊控制器有很好的控制效果,有效地改善了磁力轴承的动态性能和稳态性能。提出了一种建立磁力轴承正向T-S模糊模型和逆T-S模糊模型的方法。正向T-S模糊模型和逆T-S模糊模型的主要差别是输入和输出变量不同。正向T-S模糊模型的输入为控制电流和转子位移,输出为电磁力。而逆模型的输入为电磁力和转子位移,输出为控制电流。该方法将模糊聚类分析、最小二乘法和残差分析有机结合,采用模糊C-均值聚类分析方法确定前提结构和参数,采用最小二乘法确定结论参数,并通过对残差的分析进一步确定模糊规则的数目。仿真结果表明所获得的T-S模糊模型和逆T-S模糊模型有很高的拟合精度。提出了一种基于非线性力函数逆T-S模糊模型的磁力轴承逆控制器。将磁力轴承的逆T-S模糊模型与磁力轴承系统相串联,构成一个伪线性对象,然后按照线性系统理论设计线性PID控制器。PID控制器和逆T-S模糊模型构成了逆控制器。仿真结果表明所提方法是有效的。采用基于逆T-S模糊模型的控制方法后,系统比PID控制有更好的动态性能和更强的抗干扰性能,且转子能在更宽的范围内工作。利用并行分布式补偿器的思想,提出了一种基于T-S模糊模型的磁力轴承模糊控制方法。针对模糊模型后件所表示的线性系统,采用线性系统理论中极点配置的方法,设计线性的状态反馈控制器,并将各状态反馈控制器的输出以隶属度函数为权值加权求和作为控制器的输出。仿真结果验证了所提方法的有效性。介绍了所设计的以TMS320LF2407A为控制核心的磁力轴承系统硬件平台和控制软件的设计思路,对关键问题进行了讨论。对于磁悬浮转子,在测量中心位置时,径向各个自由度之间会相互影响,导致对中心位置的测量无法一次完成。在单自由度中心位置测量方法的基础上,给出了一种逐步求精的迭代方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题的研究背景
• 1.1.3 课题研究内容的提出
• 1.1.4 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 磁力轴承的发展
• 1.2.2 磁力轴承的分类
• 1.2.3 磁力轴承控制技术
• 1.3 磁力轴承模糊控制的研究现状
• 1.3.1 模糊控制的研究现状
• 1.3.2 常见模糊逻辑系统
• 1.3.3 磁力轴承的模糊控制
• 1.4 磁力轴承技术的发展趋势
• 1.5 本文主要研究内容与章节安排
• 2 磁力轴承的数学模型与PID 控制
• 2.1 引言
• 2.2 磁力轴承的工作原理
• 2.3 磁力轴承数字控制系统
• 2.4 磁力轴承数学模型
• 2.4.1 电磁场与磁路
• 2.4.2 磁路中的电感
• 2.4.3 电磁力
• 2.4.4 转子的运动方程
• 2.5 PID 控制与参数整定
• 2.5.1 PD 控制器与系统稳定性
• 2.5.2 PID 控制器
• 2.5.3 微分项的改进
• 2.6 磁力轴承控制系统仿真
• 2.6.1 Simulink 与 S 函数
• 2.6.2 磁力轴承非线性特性的S 函数
• 2.6.3 PID 控制的仿真研究
• 2.7 PID 参数的单纯形法寻优
• 2.7.1 目标函数的确定
• 2.7.2 单纯形法寻优步骤
• 2.7.3 仿真研究
• 2.8 本章小结
• 3 磁力轴承的多模控制与修正因子模糊控制
• 3.1 引言
• 3.2 基本模糊控制器
• 3.2.1 模糊控制的特点
• 3.2.2 模糊控制器的设计
• 3.2.3 PD、PI 和PID 型的模糊控制器
• 3.2.4 影响模糊控制器性能的主要因素
• 3.3 磁力轴承的基本模糊控制器
• 3.3.1 基本模糊控制器的设计
• 3.3.2 基本模糊控制的Matlab 仿真
• 3.4 磁力轴承的多模控制
• 3.4.1 查表法基本模糊控制器的不足
• 3.4.2 多模控制器的基本构成
• 3.4.3 无扰切换与切换阈值的选择
• 3.4.4 仿真研究
• 3.5 磁力轴承的修正因子模糊控制
• 3.5.1 多修正因子模糊控制器
• 3.5.2 拟合修正因子模糊控制器
• 3.5.3 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 4 磁力轴承的模糊建模
• 4.1 引言
• 4.2 模糊建模的思想
• 4.2.1 建模的重要性及途径
• 4.2.2 模糊建模的思想及优点
• 4.3 模糊建模的方法
• 4.3.1 基于模糊关系模型的建模方法
• 4.3.2 基于T-S 模糊模型的建模方法
• 4.4 磁力轴承系统T-S 模糊模型的辨识
• 4.4.1 输入输出数据的采集
• 4.4.2 前提结构和参数的辨识
• 4.4.3 结论参数的辨识
• 4.4.4 仿真结果
• 4.5 磁力轴承系统的模糊逆建模
• 4.5.1 输入输出数据的采集
• 4.5.2 前提结构和参数的辨识
• 4.5.3 结论参数的辨识
• 4.5.4 f 函数逆模型的辨识步骤
• 4.5.5 逆模型仿真结果
• 4.6 本章小结
• 5 基于模糊模型的磁力轴承模糊控制
• 5.1 引言
• 5.2 基于逆T-S 模型的磁力轴承控制
• 5.2.1 逆控制的思想与系统结构
• 5.2.2 力函数逆T-S 模型的建立
• 5.2.3 PID 参数的选择
• 5.2.4 逆控制的仿真研究
• 5.3 基于T-S 模型的磁力轴承PDC 控制
• 5.3.1 磁力轴承PDC 控制的基本思想
• 5.3.2 磁力表达式的线性化
• 5.3.3 状态反馈控制与极点配置
• 5.3.4 磁力轴承T-S 模糊模型的建立
• 5.3.5 磁力轴承PDC 控制器的设计
• 5.3.6 仿真结果
• 5.4 本章小结
• 6 控制系统的实现与实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 基于DSP 的控制器硬件
• 6.2.1 控制系统的组成
• 6.2.2 DSP 最小系统
• 6.2.3 低通滤波器
• 6.2.4 A/D 转换电路
• 6.2.5 D/A 转换电路
• 6.3 数字控制算法的DSP 实现
• 6.3.1 数字PID 算法
• 6.3.2 程序变量的定标
• 6.3.3 中心位置的测量
• 6.4 磁力轴承功率放大器
• 6.4.1 功率放大器的若干设计因素
• 6.4.2 一种采样保持型功率放大器
• 6.5 实验研究
• 6.6 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录2 攻读博士学位期间参加的主要课题及获奖
• 附录3 磁力轴承实验装置照片