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磁悬浮系统的H_∞控制研究

作　者: 魏国平
导　师: 郭毓
学　校: 南京理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 磁悬浮系统 H_∞控制非线性系统摩擦补偿
分类号: TH-39
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

磁悬浮是一种新兴的机电一体化技术,可使物体无接触地悬浮起来,进而降低机械损耗,在航空航天、机械制造、交通运输等领域中具有重要的作用。目前,磁悬浮系统中的非线性、摩擦、耦合、不确定性等问题依然是一个控制难题。本文结合ECP Model730磁悬浮实验系统对一类具有不确定性、耦合和摩擦的磁悬浮系统的H∞控制方法进行了研究。对于实际系统在控制中遇到的一些问题,进行了分析并给出解决方法。主要内容有：1在单磁盘和双磁盘两种配置下建立了ECP Model 730磁悬浮实验系统的线性化模型,在建模过程中考虑了传感器、执行器和磁盘间相互作用力的非线性特性。2对单磁盘磁悬浮实验系统进行了不确定性分析并将其归结为标准混合灵敏度问题,在此基础上设计了H∞控制器。针对该H∞控制器在单磁盘磁悬浮实验系统控制过程中不能克服摩擦的问题,基于遗传算法建立了单磁盘磁悬浮实验系统的摩擦模型并对摩擦进行补偿,在一定程度上克服了摩擦对系统的影响。进一步,考虑摩擦模型存在不确定性,摩擦补偿并不能完全消除摩擦对系统的影响。针对这一问题,将摩擦视为对象输入端干扰并在灵敏度权函数中引入了对对象输入端干扰的描述,设计了具有对象输入端干扰抑制能力的H∞控制器。通过仿真考察了H∞控制系统的动态性能、稳态性能、抗干扰性能及其对四种参数摄动的鲁棒性。最后,对单磁盘磁悬浮实验系统进行了调试,实验结果表明,磁盘具有良好的动态跟踪性能和稳态性能,验证了所设计的H∞控制器的有效性。3对双磁盘磁悬浮实验系统进行了特性分析,针对摩擦、耦合等问题,在摩擦补偿和耦合补偿的基础上设计了双磁盘磁悬浮实验系统的H∞控制器。通过仿真考察了H∞控制系统的动态性能、稳态性能、抗干扰性能及其对四种参数摄动的鲁棒性。最后,对双磁盘磁悬浮实验系统进行了调试,获得了较为理想的控制效果,验证了所设计的H∞控制器的有效性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
1 绪论  9-17
  1.1 课题研究背景及意义  9
  1.2 磁悬浮系统概述  9-12
    1.2.1 磁悬浮系统的工作原理  9-10
    1.2.2 磁悬浮系统的控制方法  10-12
  1.3 H_∞控制理论的发展状况  12-14
  1.4 本文的主要内容及安排  14-17
2 H_∞控制理论基础  17-29
  2.1 H_∞范数、模型不确定性和鲁棒性  17-19
  2.2 标准H_∞控制问题  19-20
  2.3 H_∞控制研究的几类典型控制问题  20-23
    2.3.1 灵敏度极小化问题  20-21
    2.3.2 鲁棒镇定问题  21-22
    2.3.3 混合灵敏度问题  22-23
  2.4 权函数的选择  23-26
  2.5 本章小结  26-29
3 ECP Model 730磁悬浮实验系统概述及其建模  29-43
  3.1 ECP Model 730磁悬浮实验系统概述  29-32
    3.1.1 磁悬浮装置  29-30
    3.1.2 实时控制器  30
    3.1.3 系统控制软件人机交互界面  30-32
  3.2 ECP Model 730磁悬浮实验系统模型的建立  32-33
    3.2.1 全阶数的非线性模型  32-33
    3.2.2 简化后的非线性模型  33
  3.3 ECP Model 730磁悬浮实验系统模型的线性化  33-36
    3.3.1 系统模型在平衡点处线性化  34-35
    3.3.2 系统模型的反馈线性化  35-36
  3.4 ECP Model 730磁悬浮实验系统的参数辨识  36-40
    3.4.1 激光传感器参数辨识  36-37
    3.4.2 线圈执行器参数辨识  37-39
    3.4.3 磁盘间相互作用力参数辨识  39-40
    3.4.4 磁盘重力参数  40
  3.5 控制对象模型  40-41
    3.5.1 单磁盘磁悬浮系统的线性化模型  40
    3.5.2 双磁盘磁悬浮系统的线性化模型  40-41
  3.6 本章小结  41-43
4 ECP Model 730单磁盘磁悬浮系统的H_∞控制方法研究  43-65
  4.1 控制对象分析  43-44
    4.1.1 ECP Model 730磁悬浮实验系统的不确定性分析  43
    4.1.2 ECP Model 730磁悬浮实验系统的特点  43-44
    4.1.3 对象频域特性  44
  4.2 标准H_∞控制器设计  44-52
    4.2.1 权函数的选择  45-47
    4.2.2 求解控制器  47-48
    4.2.3 仿真验证  48-49
    4.2.4 实验验证  49-52
  4.3 基于摩擦模型补偿的H_∞控制  52-57
    4.3.1 静态摩擦模型Stribeck曲线的获取  53-54
    4.3.2 基于遗传算法的摩擦模型参数辨识  54-55
    4.3.3 基于摩擦模型补偿的H_∞控制  55
    4.3.4 仿真验证  55-56
    4.3.5 实验验证  56-57
  4.4 基于摩擦模型补偿的具有对象输入端干扰抑制能力的H_∞控制  57-62
    4.4.1 权函数的选择  57-58
    4.4.2 仿真验证  58-60
    4.4.3 控制器鲁棒性分析  60-61
    4.4.4 实验验证  61-62
  4.5 本章小结  62-65
5 ECP Model 730双磁盘磁悬浮系统的H_∞控制方法研究  65-77
  5.1 控制对象分析  65-66
  5.2 双磁盘磁悬浮系统H_∞控制器的设计  66-74
    5.2.1 权函数阵的选择  66-67
    5.2.2 求解控制器  67
    5.2.3 仿真验证  67-71
    5.2.4 控制器鲁棒性分析  71-73
    5.2.5 实验验证  73-74
  5.3 本章小结  74-77
6 总结与展望  77-79
  6.1 本文主要工作  77-78
  6.2 研究展望  78-79
致谢  79-81
参考文献  81-86

磁悬浮系统的H_∞控制研究

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