磁悬浮转子预估控制方法的分析与研究

论文摘要

磁悬浮轴承是一种新颖的支承部件，它是由转子、轴承及位置控制器构成的机电一体化系统。它以无机械接触、无磨损和无需润滑等传统轴承所无法比拟的优点而倍受瞩目。磁悬浮轴承必须在控制系统的协助下才能正常工作，且控制器性能的好坏直接影响到磁悬浮轴承的动态性能和转子的控制精度。本文在分析单自由度磁悬浮轴承的基础上，建立了磁悬浮轴承的简化数学模型，导出了控制系统模型。在分析PID控制器参数对控制系统性能影响的基础上，提出了采用预估模糊复合控制器对磁悬浮轴承进行控制，给出了控制器参数的整定原则。在MATLAB的SIMULINK环境下构建控制系统模型，用S-function编写变参数PID控制器的参数变化规则模块和磁悬浮轴承的非线性模型，并进行了动态仿真。根据磁悬浮轴承的控制系统模型，对磁悬浮轴承的数字控制系统进行了实验设计，论述了磁悬浮轴承控制系统中各个组成部分在系统中的作用，并进行了实验研究，分析比较了实验数据。磁悬浮轴承的控制器设计通常是在平衡点附近进行线性化，按照线性理论设计线性控制器。但是由于磁悬浮轴承有本质上的非线性以及传感器、放大器和AD转换所带来的综合延迟，而传统PID控制器通常不能有效克服被控对象模型参数的大范围变化、非线性因素以及延迟环节的影响。本文首先设计了基本模糊控制器，并用MATLAB进行了仿真研究，为了改善系统的稳态性能，本文提出采用预估模糊复合控制器，在大偏差范围内采用模糊控制，小偏差范围内采用预估PID控制，并进行了磁悬浮转子起浮特性的仿真，仿真结果表明这种控制策略有利于使磁悬浮转子在大范围内稳定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 磁悬浮技术的发展概况
• 1.2 磁悬浮磁力轴承的特点
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 本论文研究的主要内容
• 第2章 主动磁悬浮轴承系统的组成原理和数学模型
• 2.1 组成原理
• 2.2 数学模型
• 2.3 系统模型的线性化
• 2.4 磁悬浮轴承转子的运动方程
• 2.5 本章小结
• 第3章 模糊 PID 复合控制
• 3.1 模糊控制
• 3.2 磁悬浮轴承的模糊控制系统
• 3.3 模糊 PID 复合控制器
• 3.4 本章小结
• 第4章 预估控制方法的分析
• 4.1 常规 Smith 预估器
• 4.2 Fuzzy Smith 预估控制器
• 4.3 预估控制在磁悬浮转子控制中的应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 磁悬浮轴承数字控制系统实验设计
• 5.1 实验系统组成
• 5.2 控制程序软件流程
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢