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磁悬浮支撑由于无摩擦、无磨损、无需润滑、寿命长、低功耗、无噪音等优点越来越受到重视。磁悬浮平台系统是一个具有强耦合、非线性特性的系统,其承载特性很大程度上取决于系统控制部分的设计。为使系统具有稳定可靠的悬浮性能和定位效果,对系统进行合理的分析并选择合适的控制方案具有极其重要的意义。本文采用基于dSAPCE平台快速控制原型方式,系统展开了磁悬浮运动平台控制方法的研究,主要研究内容为:
首先,建立系统模型。把平台整体作为控制对象研究时,利用拉格朗日方程建立了完整的五自由度平台动力学模型;而把每对电磁铁作为独立对象研究时,对单对电磁铁又进行了的动力学建模分析。
其次,在所建立的模型基础上进行控制方法的研究和仿真分析:
平台作为整体控制时,采用线性二次最优状态反馈控制(LQR)的方法设计了控制器。通过仿真比较确定了合适的性能指标加权阵使系统具有良好的动、静态性能。LQR集中控制考虑了系统耦合影响,但反馈系数太多,实时计算量大,采样周期变长,因此在实时控制时更多采用对每对电磁铁进行独立控制的设计方案。
对每对电磁铁独立控制时,主要采用了PID和模糊PID的控制方法。PID控制器结构简单,参数易于调整,在设计中,通过对系统稳定性研究,并综合考虑系统设计刚度、阻尼确定了三个控制参数的理论值。而在磁悬浮平台的实际工作中,由于导轨面不平整及一些环境因素的影响需要PID控制参数具有在线自整定能力,因此结合模糊控制的优点设计了自适应模糊PID控制器,通过预先设定的参数调整规则对PID的三个控制参数进行自动补偿。仿真结果表明,模糊PID控制在系统响应的快速性和抗干扰性上都优于常规的PID控制。
最后,在用Simulink完成不同控制方法的离线仿真的基础上,利用dSPACE平台对系统进行了实时仿真实验。介绍了基于dSPACE的磁悬浮控制系统构成及软件实现。将PID和模糊PID控制算法分别应用于磁悬浮运动系统,得到了平台的悬浮波形,实验结果表明:这两种控制方法都可以使平台稳定悬浮,但模糊自整定PID控制具有更好的稳定性和鲁棒性。