由于磁悬浮系统具有无机械磨损、无污染、无需润滑等特点,而且可以通过调节线圈电流或电压灵活的调整悬浮物体的位置,因此磁悬浮技术被广泛的应用到了工业系统中,随着科技的发展,磁悬浮系统将具有更大的应用前景。磁悬浮球系统作为研究磁悬浮控制系统的经典平台,可使研究人员更专心于控制策略的研究。它是一个复杂单自由度非线性系统,存在模型参数不确定性和线圈的磁滞现象,且易受外界扰动影响,这些都对系统的高性能控制带来了极大的挑战。滑模控制作为一种具有强鲁棒性和扰动抑制能力的控制方法,近年来被广泛的应用到控制领域,因此,本文应用滑模控制方法对磁悬浮球系统控制进行了较为深入的研究。然而,当系统受到强干扰时,滑模控制所需要的切换增益较大,系统状态会出现大幅度的抖振或波动。因此,本文引入了扰动观测技术将扰动和不确定性估计出来作为滑模控制器的前馈补偿,取得了良好的控制效果。本文首先介绍了磁悬浮球系统控制的背景意义和国内外研究现状,简要分析了当前磁悬浮控制中的主要问题。接着介绍了磁悬浮球控制系统的基本原理,最后设计和实现了三种适用于磁悬浮系统的滑模控制方法,实现了对期望位置的精确、快速跟踪。主要工作和研究内容如下:(1)通过电磁力分析、动力学分析、励磁线圈电流电压关系分析以及平衡点受力分析,建立了磁悬浮球系统的非线性数学模型。系统的非线性,建模时忽略的电磁力的高阶项和由电感变化产生的不确定项,都是造成参数不确定性的主要原因。外界的风力、光线强度、人为的干扰和系统的抖动是外界扰动的主要来源。以上两点在建模时均有考虑;(2)针对磁悬浮系统中存在参数不确定性和易受外界扰动影响的问题,设计了一种基于扩张状态观测器(Extended state observer,ESO)的连续滑模控制方法(CSMC+ESO)。通过设计基于幂次趋近律的磁悬浮球系统连续滑模控制器(Continuous sliding mode controller,CSMC),以抑制传统滑模控制中的抖振现象,设计系统的ESO来估计参数不确定性和外界未知扰动,并以前馈的形式补偿到CSMC中,从而可以选取较小的切换增益,抑制系统位置状态的波动幅度。仿真结果表明,与CSMC相比,所提方法具有更好的位置跟踪精度和抗干扰性能。实验结果表明,与CSMC相比,所提方法抑制了位置状态的波动幅度以及扰动对系统状态的影响,且具有更好的位置跟踪精度和更快的状态收敛速度;(3)针对磁悬浮球系统易受时变扰动影响的问题,设计了一种基于广义比例积分观测器(Generalized proportional integral observer,GPIO)的连续滑模控制方法(CSMC+GPIO)。通过设计磁悬浮球系统的全阶连续滑模控制器(CSMC),使误差系统状态在有限时间内收敛到滑模面并抑制抖振现象,采用GPIO来估计系统的不确定性和时变扰动,再将得到的估计值以前馈的形式补偿到控制器中,抑制位置状态的波动幅度。仿真结果表明,在相同的切换增益下,所提方法比CSMC收敛速度快,比CSMC+ESO具有更好时变扰动抑制性能;实验结果表明,与CSMC相比,所提方法减小了位置状态的波动幅度,与CSMC+ESO相比,所提方法有效的抑制了时变扰动;(4)针对系统状态不能在有限时间收敛到设定值的问题,设计了一种基于广义比例积分观测器(Reduced-order generalized proportional integral observer,RGPIO)的自适应非奇异终端滑模控制方法(ANTSMC+RGPIO)。设计了磁悬浮球系统的非奇异终端滑模控制器(NTSMC),使系统状态在有限时间收敛到设定值并避免终端滑模控制中可能存在的奇异问题;采用RGPIO估计出系统不确定性和时变扰动,再将观测器的估计值以前馈的形式补偿到控制器中,以抑制滑模控制的抖振现象;设计了一种切换增益自适应非奇异终端滑模控制方法,以进一步提升系统的动态性能。仿真结果表明,与NTSMC+GPIO方法相比,所提方法具有更好的动态性能,RGPIO的使用也保证了系统的扰动抑制性能;实验结果表明,与NTSMC相比,所提方法很好的抑制了抖振现象,具有更好的抗干扰性能,比NTSMC+GPIO方法具有更好的动态性能。最后,对全文进行总结,针对研究中的不足,展望未来的研究内容和方向。