基于电流优化的磁悬浮系统的解耦控制算法大学论文.doc

基于电流优化的磁悬浮系统的解耦控制算法摘要：一种新的基于电流优化和反馈线性化的解耦算法被用于解耦和线性化非线性磁悬浮系统。黄金分割法被应用于电流优化算法中来搜索每个线圈的理想电流。为了尽快的控制每个线圈上的电压来监测理想电流，三步电流解耦用于提高磁悬浮致动器的响应速度和精度。实时解耦算法在计算机上的数值实验中进行验证。为了实现三种运动结果设计了相位超前控制器。实验图表显示系统的动态响应和每个线圈电流响应的性能。关键词：磁悬浮反馈线性化电流优化精确控制变量表Z轴坐标的悬浮架的质心悬浮架以对称轴X轴旋转过的角度悬浮架以对称轴Y轴旋转过的角度每个铁盘中心的z轴坐标每个底部的线圈和每个铁板材表面之间的气隙每个线圈中的电流电磁线圈产生电磁力g重力加速度常数m的总质量悬浮架x轴的惯性悬浮架y轴的惯性Ⅰ简介随着工业技术的进步，高精度定位系统在各种高科技领域中起着重要的作用。近年来，在精密运动控制设备广泛应用于先进的仪器和现代制造过程。电磁铁设计和控制电子的最新进展大大增加了其应用的广度，尤其是在定位、对齐方式、扫描和操纵方面。现代的压电致动器常用的在这些设备中，并有配备了超高分辨率的传感器内部控制回路。然而，大多压电致动器只能处理小的移动范围内，这可能对于许多应用并没有实际意义。由于压电致动器的缺点存在，一般认为磁悬浮系统需要克服这些缺点。过去的二十年中，很多研究人员[1]-[5]推动了磁悬浮技术的发展。过去磁悬浮系统中取得的成果跨越许多领域。这成功地应用于许多应用中，如高速磁悬浮列车、隔振系统和磁悬浮轴承等。在这里我们只将研究短程旅行与精密定位领域的磁技术，然后设计和实现了原型磁悬浮系统，来验证它的高性能。磁悬浮的力/电流/气隙关系是非线性并在磁悬浮控制技术上有重要作用。在早期研究中，大多数的设计方法基于两种方法。一个是基于非线性受力在平衡点泰勒级数展开的线性控制策略。因此，偏离平衡点时线性控制策略的跟踪性能迅速恶化。另一种方法是增益调度[7]在磁悬浮力/电流/气隙三者的非线性关系在工作点先后线性化与适用于每个工作点控制器。Lairi和Bloch[8]磁性支撑系统提出了神经网络控制法。为了确保一致的性能独立工作点，许多研究者用过的反馈线性化技术。反馈线性化利用电磁场的完整非线性描述，因此收益率一致的性能很大程度上独立于经营点气隙。DavidL.Trumper[9]构建单自由度磁悬浮，然后比较了线性与非线性的数字控制方案在良好控制的实验环境中的性能。他的实验的结果表明在工作点变化范围大悬浮系统中，非线性控制器的优势超过常规控制器的。[10][11]AhmedEl-hajjaji设计一种非线性控制器基于微分几何理论，成功地控制在悬浮铁球位置在长时间范围内的运动。JeffreyD.Lindlau提出了单一--自由度(DOF)磁悬浮轴承试验台的反馈线性化控制器。控制器在电压模式下试验台上实现，实验结果证实理论与实测的开环反馈线性化系统场一致。反馈线性化技术已广泛应用于磁悬浮研究，但在大多数情况下它用来控制1自由度动态系统。如果磁悬浮系统中有更多的控制的变量，应采用优化技术。对此，3自由度磁悬浮系统提出了一种系统的应用反馈线性化和电流优化。首先，我们将获得动态模型的磁悬浮列车。然后，此系统线性化，反馈线性化与电流优化介绍。最后，为了证明整个系统的性能，实验结果被供核查。本文组织如下所示。在第二章介绍了一种新的磁悬浮系统的设计，并推导出其动力学模型。在第三章中提出了一种利用反馈线性化与当前优化的解耦算法。与此解耦算法耦合和非线性磁悬浮系统是解耦和线性化。第四章设计系统控制器。然后，实验结果所示第五章。终于在第六章中给出结论。Ⅱ磁悬浮系统的建模A.磁悬浮简介图1为3自由度磁悬浮系统的原型，真实实验的磁悬浮如图2所示。有四个线圈铁芯固定在一个刚性的外部钢框架。为了简化控制算法，所有相同制造这些线圈的机械和电气参数。每个线圈的底部处于同一水平面。正在线圈蜂窝铝板和四个铁盘组成的悬浮架。蜂窝铝板是重量轻，结构刚性和平坦的表面。四个铁片固定在铝板表面的每个角落。每个线圈的轴被针对每个铁板的中心。在初始状态（没有线圈中的电流），每个铁板与线圈之间的气隙是3毫米。表1所示的悬架系统指定的参数表1参数名称参数大小蜂窝铝板尺寸500×500×50(mm3)铁盘子尺寸140×140×2(mm3)悬浮液的质量3.5(kg)到x轴的惯性7.36E-002(kg.m2)到y轴的惯性7.36E-002(kg.m2)每个线圈匝数1000每个线圈的直径28(mm)材料的核心铁图1.磁悬浮的原型图片图2.磁悬浮实验图片因为在每个线圈电流，这些线圈生成铁片有吸引力，克服重力，悬浮架挂起。控制变量法在实验系统上四个线圈的电压但每个线圈中的电流通常被视为中建模分析的控制变