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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
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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。
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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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