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磁悬浮轴承H_∞集中控制器的研究

作 者: 周明松
导 师: 徐龙祥
学 校: 南京航空航天大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: 磁悬浮轴承 H_∞控制 集中控制 混合灵敏度 加权函数
分类号: TH133.3
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
下 载: 54次
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内容摘要


本文基于H_∞控制理论研究用于磁悬浮轴承系统的集中控制器。文中采用相似变换的方法,对两自由度的模型进行了重新构造,便于控制器的求解。讨论了在线性时不变系统中选择了H_∞混合灵敏度方法,对其中的灵敏度加权函数和补灵敏度加权函数进行了分析,并且研究了它们的约束条件及一般选择规律。通过分析了径向之间的陀螺耦合、惯性耦合对系统模型的影响,将磁悬浮轴承-转子结构中存在的高频未建模动态不确定性作为主要的考虑因素;采用H_∞混合灵敏度方法分别求解了径向两自由度H_∞集中控制器和轴向单自由度H_∞控制器。本文在Matlab/Simulink环境中进行了仿真实验,理论表明所求H_∞控制器具有良好的信号跟踪和干扰抑制性能。采用双线性变换方法对H_∞控制器进行离散化,用C语言编写了H_∞控制程序,在PC机DOS操作环境下,实现了转子在五个自由度上的静态稳定悬浮,其径向跳动为±1.5μm、轴向为±1.2μm;同时实现了30000r/min的高速运转,其径向跳动为±17.5μm、轴向为±2.16μm。仿真和试验结果表明了本文中建立H_∞集中控制器的方法是可行有效的。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-16
第一章 绪论  16-24
  1.1 磁悬浮轴承简介  16-17
  1.2 磁悬浮技术发展与研究现状  17-19
  1.3 磁悬浮轴承的控制  19-20
  1.4 论文工作及内容安排  20-24
    1.4.1 论文工作的背景  20-22
    1.4.2 论文内容安排  22-24
第二章 主动磁悬浮轴承的结构简介与模型分析  24-37
  2.1 系统结构  24-25
  2.2 系统模型研究  25-31
    2.2.1 电磁铁对转子的吸引力  25-26
    2.2.2 单自由度转子的数学模型  26-27
    2.2.3 五自由度转子力学模型和状态方程  27-30
    2.2.4 位移传感器  30
    2.2.5 功率放大器  30-31
    2.2.6 控制电路引入的增益  31
  2.3 磁悬浮轴承实验平台的数值分析与模型变换  31-36
    2.3.1 力学参数  31-33
    2.3.2 实验台转子力学模型数值化方程  33-34
    2.3.3 模型变换  34-36
  2.4 本章小节  36-37
第三章 基于H_∞理论的磁悬浮轴承集中控制系统研究  37-52
  3.1 引言  37
  3.2 系统不确定性的描述  37-38
  3.3 鲁棒性分析和设计方法  38-39
    3.3.1 控制系统的鲁棒性分析  38-39
    3.3.2 控制系统的鲁棒性设计  39
  3.4 广义受控对象的描述  39-40
  3.5 H_∞控制的标准问题  40-41
  3.6 H_∞控制所包含的各类控制问题  41-47
    3.6.1 灵敏度极小化问题  41-42
    3.6.2 鲁棒镇定问题  42-44
    3.6.3 混合灵敏度优化问题  44-47
  3.7 灵敏度函数和补灵敏度函数加权因子的选择方法  47-50
    3.7.1 加权函数W1( s ) 、W3( s ) 的选取必须符合鲁棒控制第一定理  47-48
    3.7.2 W1( s ) 与W3( s ) 的截止频率要求  48-49
    3.7.3 W1( s ) 与W3( s ) 的幅值要求  49
    3.7.4 W1( s ) 与W3( s ) 的阶次要求  49
    3.7.5 R(s ) 加权函数W2 ( s) 的选取  49-50
  3.8 基于LMI 的输出反馈H_∞控制  50-51
  3.9 本章小结  51-52
第四章 数字控制系统的实现  52-67
  4.1 引言  52
  4.2 鲁棒H_∞控制在磁悬浮轴承中的应用  52-56
    4.2.1 磁悬浮轴承系统中不确定性的分析  52-54
    4.2.2 确定加权函数矩阵  54-56
  4.3 径向两自由度集中控制器的求解及仿真研究  56-62
  4.4 轴向自由度控制器的求解及仿真研究  62-64
  4.5 数字控制器的离散化  64-66
  4.6 本章小结  66-67
第五章 试验研究  67-78
  5.1 PC 机实时控制系统介绍  67-70
    5.1.1 选用PC 机实时控制系统的原因  67-68
    5.1.2 PC 机实时控制系统的总体方案  68
    5.1.3 电涡流传感器及其标定  68-69
    5.1.4 AD 采样通道和DA 转换通道  69-70
    5.1.5 功率放大器环节  70
  5.2 H_∞算法实现及系统软硬件调试  70-72
    5.2.1 程序流程  70-71
    5.2.2 系统软硬件调试  71-72
  5.3 实验研究  72-76
    5.3.1 起浮实验  72-73
    5.3.2 静态悬浮实验  73-75
    5.3.3 高速运转实验  75-76
  5.4 本章小结  76-78
第六章 总结  78-80
  6.1 论文的主要工作  78
  6.2 对进一步研究的思考  78-80
参考文献  80-85
致谢  85-86
在学期间的研究成果及发表的学术论文  86

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 机械零件及传动装置 > 转动机件 > 轴承
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