一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種磁懸浮控制領(lǐng)域，尤其涉及一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方 法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，磁懸浮技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到很多領(lǐng)域，包括磁懸浮列車，磁懸浮軸承，磁懸浮隔 振系統(tǒng)等領(lǐng)域，且在各個(gè)領(lǐng)域中的作用十分突出，比如磁懸浮列車打破了傳統(tǒng)的輪軌式列 車的機(jī)制，利用電磁力使得列車懸浮于軌道之上，具有噪聲低、摩擦小、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)； 磁懸浮軸承方面，磁力軸承的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到80000轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)子直徑可達(dá)12米，最大承載能力 為10噸，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、核反應(yīng)堆等場(chǎng)合;磁懸浮隔振是一種新型的主動(dòng)式隔 振方法，由于在振源和載荷之間用主動(dòng)控制的磁場(chǎng)支撐，使得振源和載荷之間完全脫離機(jī) 械接觸，在外加主動(dòng)控制的作用下，磁懸浮隔振的靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)隔振效果可以方便進(jìn)行 調(diào)解。
[0003] 總之，磁懸浮技術(shù)在各大領(lǐng)域中都起著相當(dāng)重要的作用，而在磁懸浮技術(shù)中，最核 心的是對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的電磁鐵模塊施加主動(dòng)懸浮控制，使得目標(biāo)物能穩(wěn)定懸浮。
[0004] -般磁懸浮系統(tǒng)主要由懸浮電磁鐵、控制器、傳感器等組成，如圖1所示，磁懸浮系 統(tǒng)包括電磁鐵1和銜鐵2,所述電磁鐵1安裝在安裝板3上，銜鐵2位于電磁鐵1下方，銜鐵2與 電磁鐵1之間存在間隙。
[0005] 在電磁鐵線圈繞組中通以一定大小的電流會(huì)產(chǎn)生電磁力，通過控制這個(gè)電流的大 小，使該點(diǎn)負(fù)載的重力G與此電磁力Fe平衡。
[0006 ]在磁浮列車、磁浮軸承、磁浮式定位平臺(tái)等系統(tǒng)中對(duì)其在運(yùn)行過程中保證系統(tǒng)在 懸浮方向上的穩(wěn)定懸浮具有很高的要求。
[0007] 而磁懸浮系統(tǒng)在產(chǎn)生垂向運(yùn)動(dòng)過程中主要存在以下幾個(gè)方面的問題：1)負(fù)載擾動(dòng) 干擾，在磁浮列車系統(tǒng)中，列車的載客負(fù)載隨著時(shí)間在不斷的改變;在高精密微加工領(lǐng)域， 主要利用精密定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)承載目標(biāo)，隨著承載目標(biāo)的轉(zhuǎn)換與改變，系統(tǒng)也不斷受 到負(fù)載擾動(dòng)的干擾;故一般的磁懸浮系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中，負(fù)載的擾動(dòng)變化對(duì)系統(tǒng)來說是一 個(gè)較大的外界擾動(dòng);2)模型內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)，在一般的磁懸浮系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中，電磁鐵模塊 必然會(huì)產(chǎn)生熱量，這些熱量產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致模型內(nèi)部的參數(shù)，包括電阻、電感的變化過程，從而 使得模型參數(shù)具有不確定性，加之如果模型建立不精確的情況下，這種參數(shù)攝動(dòng)可能引起 系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)產(chǎn)生作用，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制精度;3)測(cè)量噪聲，在運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 如磁浮列車、精密定位平臺(tái)等的運(yùn)動(dòng)過程中，系統(tǒng)利用電渦流傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量電磁鐵與目 標(biāo)位置之間的懸浮高度作為反饋量，在傳感器工作過程中，不可避免會(huì)存在測(cè)量噪聲的干 擾，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境變化時(shí)，這種測(cè)量噪聲對(duì)控制精度的影響是較大的。
[0008] 因此，如何才能在存在磁懸浮系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)改變、外界干擾和內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，磁懸浮 系統(tǒng)仍能夠?qū)崿F(xiàn)正常穩(wěn)定懸浮，具有較強(qiáng)的魯棒干擾能力，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決 的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法和裝置，其能夠在存 在磁懸浮系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)改變、外界干擾和內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，磁懸浮系統(tǒng)仍能夠?qū)崿F(xiàn)正常穩(wěn)定懸 浮，具有較強(qiáng)的魯棒干擾能力。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，所述 方法包括以下步驟： 步驟1:搭建磁懸浮系統(tǒng)的等效電磁鐵模型為三階非線性模型； 步驟2:針對(duì)三階非線性模型引入電流環(huán)，在使電磁鐵的電流能夠滿足響應(yīng)時(shí)間要求， 同時(shí)將系統(tǒng)降為二階非線性模型； 步驟3:獲取磁懸浮系統(tǒng)的狀態(tài)，針對(duì)二階非線性模型，引入基于跟蹤微分器的滑模變 結(jié)構(gòu)控制，即根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)位于開關(guān)曲線的不同位置采取不同的控制量； 步驟4:調(diào)節(jié)確定控制量的跟蹤微分器的參數(shù)使系統(tǒng)狀態(tài)收斂到期望的系統(tǒng)狀態(tài)。
[0011] 優(yōu)選的，將步驟2中所述二階非線性模型定義為公式(1):
(1) 其中，Χ#ΡΧ2組成相平面，相平面上的任意點(diǎn)為M(xi，x2)，h為離散步長(zhǎng)，r為u(k)的選取 范圍。
[0012] 優(yōu)選的，將步驟3中開關(guān)曲線定義為公式(2):
(2) 將近似線性跟蹤微分器定義為公式(3):
其中，《為控制量，(1，&0，&，5^&，7,2都是中間變量無具體的含義。
[0013] 優(yōu)選的，所述將二階非線性模型根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)位于開關(guān)曲線的不同位置采取不同 的近似線性跟蹤微分器的控制量具體為： 當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)在相平面上的點(diǎn)M(X1，X2)落在兩步可達(dá)區(qū)內(nèi)，選取兩步可達(dá)控制量定義為 公式(4): U = -zi；0 (4) 若系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)在相平面上的點(diǎn)M(X1，X2)落在兩步可達(dá)外的點(diǎn)，選取變號(hào)控制量定 義為公式(5): ω： = -r Sghifl) (5) 優(yōu)選的，所述步驟4中，調(diào)節(jié)的參數(shù)為快速因子C1和濾波因子c2。
[0014] 本發(fā)明還提供了一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制裝置，包括模型搭建模塊，電 流環(huán)模塊、處理模塊和參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，其中： 模型搭建模塊，用于搭建磁懸浮系統(tǒng)的等效電磁鐵模型為三階非線性模型； 電流環(huán)模塊，用于針對(duì)將模型搭建模塊生成的三階非線性模型引入電流環(huán)，在使電磁 鐵的電流能夠滿足響應(yīng)時(shí)間要求，同時(shí)將系統(tǒng)降為二階非線性模型； 處理模塊，用于獲取磁懸浮系統(tǒng)的狀態(tài)，針對(duì)二階非線性模型，引入基于跟蹤微分器的 滑模變結(jié)構(gòu)控制，即根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)位于開關(guān)曲線的不同位置采取不同的控制量； 參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，用于調(diào)節(jié)處理模塊中確定控制量的跟蹤微分器的參數(shù)使系統(tǒng)狀態(tài)收斂 到期望的系統(tǒng)狀態(tài)。
[0015] 優(yōu)選的，將電流環(huán)模塊中所述二階非線性模型定義為公式(1):
(1) 其中，Χ#ΡΧ2組成相平面，相平面上的任意點(diǎn)為M(xi，x2)，h為離散步長(zhǎng)，r為u(k)的選取 范圍。
[0016] 優(yōu)選的，將處理模塊中開關(guān)曲線定義為公式(2):
(2) 將近似線性跟蹤微分器定義為公式(3):
其中，《為控制量，(1，&〇，&，3^32,7,2都是中間變量無具體的含義。
[0017]優(yōu)選的，所述將二階非線性模型根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)位于開關(guān)曲線的不同位置采取不同 的近似線性跟蹤微分器的控制量具體為： 當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)在相平面上的點(diǎn)M(X1，X2)落在兩步可達(dá)區(qū)內(nèi)，選取兩步可達(dá)控制量定義為 公式(4):
(4) 若系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)在相平面上的點(diǎn)M(X1，X2)落在兩步可達(dá)外的點(diǎn)，選取變號(hào)控制量定 義為公式(5): (5) 優(yōu)選的，所述參數(shù)調(diào)節(jié)模塊中調(diào)節(jié)的參數(shù)為快速因子C1和濾波因子C2。
[0018] 本發(fā)明提供的一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法和裝置便于工程實(shí)現(xiàn)，且能 夠根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)所處的位置不同，切換選取不同控制量，使磁懸浮系統(tǒng)在內(nèi)部參數(shù)改變、外 界干擾和內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，磁懸浮系統(tǒng)仍能夠?qū)崿F(xiàn)正常穩(wěn)定懸浮，具有較強(qiáng)的魯棒干擾能力。
【附圖說明】
[0019] 圖1懸浮系統(tǒng)等效的電磁鐵模型示意圖； 圖2為本發(fā)明提供的一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法的流程圖； 圖3a是存在間隙干擾時(shí)本發(fā)明提供的控制方法應(yīng)用于控制對(duì)象之后的效果圖； 圖3b是存在間隙干擾時(shí)現(xiàn)有的PID控制方法應(yīng)用于該系統(tǒng)后的效果圖； 圖4a是存在負(fù)載干擾時(shí)本發(fā)明控制控制方法應(yīng)用于控制對(duì)象之后的效果圖； 圖4b是存在負(fù)載干擾時(shí)現(xiàn)有的PID控制方法應(yīng)用于該系統(tǒng)后的效果圖； 圖5a為三種跟蹤微分器跟蹤信號(hào)性能對(duì)比圖； 圖5b為三種跟蹤微分器微分信號(hào)提取能力對(duì)比圖； 圖6為本發(fā)明提供的一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制裝置結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明 作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0021] 參見圖2,圖2為本發(fā)明提供的一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法的流程圖。 [0022] 一種磁懸浮系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，所述方法包括以下步驟： 步驟1:搭建磁懸浮系統(tǒng)的等效電磁鐵模型為三階非線性模型。
[0023] 磁懸浮系統(tǒng)一般磁懸浮系統(tǒng)主要由懸浮電磁鐵、控制器、傳感器等組成，故一般將 磁懸浮系統(tǒng)等效為電磁鐵模型，而后搭建磁懸浮系統(tǒng)的電磁鐵模型為三階非線性模型 步驟2:針對(duì)三階非線性模型引入電流環(huán)，在使電磁鐵的電流能夠滿足響應(yīng)時(shí)間要求， 同時(shí)將系統(tǒng)降為二階非線性模型； 針對(duì)三階非線性模型引入電流環(huán)，即對(duì)電磁鐵線圈利用周期性方波給出一個(gè)對(duì)應(yīng)的電 壓控制量，此時(shí)可以檢測(cè)出電磁鐵線圈中的電流上升時(shí)間，并將電流上升時(shí)間反饋調(diào)節(jié)方 波的周期，使電流上升的時(shí)間在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)。
[0024] 使電磁鐵的電流能夠快速響應(yīng)控制電壓的變化，減少系統(tǒng)的遲滯，同時(shí)達(dá)到將三 階非線性模型降為二階非線性模型的目的。
[0025] 優(yōu)選的，調(diào)節(jié)參數(shù)為kcl、kc2，其中kcl=20，k