混合悬浮控制系统研究

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磁悬浮技术是集电磁学、电子学、力学、机械学、控制工程和计算机科学于一体的技术。以其无接触的特点,避免了物体之间的摩擦和损耗,延长了设备的使用寿命,改善了设备的运行条件,在交通、冶金、电器、机械、材料等各个方面有着广阔的应用前景。但是应用前景最看好的还是用磁浮技术实现交通运输。本文首先介绍了磁悬浮的发展背景,及中国发展磁悬浮的重要意义。阐述了混合悬浮的背景、工作原理、结构和优点等。具体分析了两种混合磁悬浮系统的模型。传统电磁吸力型(EMS)磁悬浮系统在结构上简单可靠,在技术上已经相对成熟,但是由于悬浮力全部由电磁铁来提供,需要的电流和功耗都很大,为解决这一问题,提出了电磁永磁混合悬浮系统。混合磁悬浮系统在节省能量方面表现出了很大的优势,但其控制难度和复杂性也相对增加。通过对电磁永磁混合磁悬浮系统的分析和研究,建立了混合悬浮系统的系统模型。对该系统进行受力分析,列出系统的电学和力学方程,建立了混合系统的数学模型。在平衡点线性化处理后,得出系统的状态空间方程,并对其稳定性进行了分析,仿真结果对系统的稳定性分析进行了验证。由于混合悬浮系统是开环不稳定系统,需要设计稳定的控制方案进行有效的控制。本文分析了目前混合悬浮系统的几种主要控制方案,研究了状态空间反馈控制、PID控制、最优控制、滑模控制和模糊控制等控制方法。重点讨论了状态空间反馈控制方案,并给出了仿真结果。将PID控制和模糊控制引入到混合悬浮系统的悬浮控制中,提出Fuzzy控制和PID控制相结合的Fuzzy-PID控制算法,给出了具体的参数设置和仿真结果。针对磁悬浮系统开环不稳定、强烈非线性等特性,本文提出了一种模糊趋近律滑模控制策略,设计了模糊趋近律的滑模变结构控制器,并进行了仿真分析。仿真结果显示采用模糊控制方法进行控制时,系统的输出气隙值可以在短时间内跟踪给定气隙值,且在遇到扰动的情况下,能够迅速回到稳定状态,适应性明显优于状态空间反馈控制。
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