高刚度磁悬浮单元的鲁棒二自由度控制方法研究

论文摘要

磁悬浮由于无摩擦磨损、无需润滑、寿命长、低功耗、无噪声等优点越来越受到人们的重视,所以可采用磁悬浮原理实现无摩擦驱动,提高机床加工精度和效率。磁悬浮性能优劣主要取决于控制系统,因此,开展磁悬浮控制方法和技术的研究具有重要意义。鲁棒二自由度控制技术不但能解决传统控制策略的跟踪性和抗扰性之间的矛盾,而且能够使得系统即使在不确定性处于最大界条件下仍然能够保证良好的稳定性。因此,本文采用H_∞控制法对磁悬浮系统的鲁棒二自由度控制原理及其实现方法进行了研究,重点解决磁悬浮系统的抗扰和跟踪控制问题。首先,在阅读了大量国内外相关文献资料的基础上,对磁悬浮技术的发展现状和前景进行了综述;阐述了磁悬浮控制技术在交通及工业领域的应用;阐述了磁悬浮系统的控制方式,分别对经典控制和现代控制方式进行了归类和分析比较。其次,在分析磁悬浮工作原理基础上,建立了单电磁铁的非线性数学模型;利用泰勒展开法对模型进行了线性化;同时,考察单电磁铁悬浮系统的局部线性化传递函数,对系统的稳定性、鲁棒性及刚度性进行了分析。然后,详尽论述了H_∞控制方法,针对磁悬浮单元的跟踪性、抗扰性与鲁棒性,采用混合灵敏度方法设计了H_∞控制器,利用Simulink对控制系统进行仿真分析。最后,针对传统控制策略中存在的干扰抑制和跟踪性能之间存在的矛盾,提出了基于混合灵敏度的磁悬浮单元鲁棒二自由度控制策略,详细阐述了磁悬浮单元的鲁棒二自由度控制系统,设计了鲁棒二自由度控制器,并对系统进行仿真,结果说明鲁棒二自由度控制器可以保证对系统不确定性具有较强鲁棒性,气隙具有高刚度性,对负载扰动抑制明显,响应速度快,提高了控制精度,具有理想的控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的及意义
• 1.2 悬浮技术及其应用
• 1.2.1 悬浮技术发展及前景
• 1.2.2 磁悬浮列车
• 1.2.3 磁悬浮导轨
• 1.3 磁悬浮系统控制方式论述
• 1.3.1 经典控制方式
• 1.3.2 现代控制方式
• 1.3.3 鲁棒二自由度控制方式
• 1.4 论文的主要研究内容及工作
• 第二章 单电磁铁悬浮单元的建模与分析
• 2.1 工作原理
• 2.2 单电磁铁悬浮系统的动态模型
• 2.2.1 单电磁铁悬浮系统理论基础
• 2.2.2 电流控制的单电磁铁悬浮系统数学模型
• 2.2.3 电压控制的单电磁铁悬浮系统数学模型
• 2.3 单电磁铁动力模型的局部线性化
• 2.4 单电磁铁悬浮系统的模型分析
• 2.4.1 稳定性
• 2.4.2 鲁棒性
• 2.4.3 刚度
• ∞控制方法研究'>第三章 磁悬浮单元的H_∞控制方法研究
• ∞标准问题'>3.1 H_∞标准问题
• ∞标准问题包含的控制问题'>3.2 H_∞标准问题包含的控制问题
• ∞跟踪控制问题'>3.2.1 H_∞跟踪控制问题
• 3.2.2 鲁棒稳定性问题
• ∞混合灵敏度问题'>3.2.3 H_∞混合灵敏度问题
• ∞控制问题'>3.3 不确定系统的H_∞控制问题
• 3.3.1 不确定系统的鲁棒稳定性
• 3.3.2 不确定系统的混合灵敏度问题
• 3.3.3 混合灵敏度中的加权因子的选择方法
• ∞控制在磁悬浮单元中的应用'>3.4 H_∞控制在磁悬浮单元中的应用
• 3.4.1 磁悬浮单元实验系统
• 3.4.2 频域性能指标
• ∞控制问题及其设计'>3.4.3 磁悬浮单元H_∞控制问题及其设计
• ∞鲁棒控制的磁悬浮单元的仿真研究分析'>3.4.4 基于H_∞鲁棒控制的磁悬浮单元的仿真研究分析
• 第四章 磁悬浮单元的鲁棒二自由度控制
• 4.1 二自由度控制的概念
• 4.1.1 一般PID控制系统
• 4.1.2 二自由度PID控制方式
• 4.1.3 二自由度控制方式
• ∞控制理论的鲁棒二自由度控制器'>4.2 基于H_∞控制理论的鲁棒二自由度控制器
• 4.2.1 鲁棒二自由度控制描述
• 4.2.2 鲁棒二自由度控制设计
• 4.3 鲁棒二自由度控制器在磁悬浮单元中的应用
• 4.3.1 加权函数构造及控制器设计
• 4.3.2 仿真结果和分析
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢