CN103955137A - 分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法，在微重力环境模拟的实验中进行了应用，通过该控制方法，可以精确控制分布式电磁系统产生的耦合电磁力，并驱动实验体进行竖直方向和水平方向的运动，在外界测量系统的位置测量误差5mm，数据传输率只有5Hz的条件下，通过本发明的控制方法对电磁力进行控制，使电磁力驱动的实验体位置控制精度达到1cm、超调量小于8mm、稳态误差小于5mm、响应速度小于1s。

Description

分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法

技术领域

本发明属于耦合磁场电磁力的控制方法，具体涉及一种分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法。 

背景技术

电磁悬浮技术不仅应用于日常生活的各个方面，而且也逐渐应用于各种科学研究中。分布式电磁阵列可以在较大平面范围内产生所需的电磁力，在该电磁力作用下，在特殊环境中就可以实现物体的大范围运动和稳定悬浮，可以应用于微重力效应模拟实验中，有效拓展了电磁力的应用范围。 

但是在这种分布式磁场的实际应用需要通过控制系统对磁场进行控制，以实现电磁力的精确控制。目前对于耦合磁场的控制还仅仅限于电磁永磁混合悬浮系统。例如明正峰等利用电磁铁阵列与永磁铁来提供空间三维方向的悬浮驱动力，基于有限元数值方法对悬浮电磁力特性以及合成磁场特性进行了分析，说明该电磁阵列悬浮系统装置可以在大气隙下使用，而且具有较好的稳定性和可控性，但却没有给出具体的控制方法，见文献明正峰，汶涛，雷振亚，文睿，王浩.大间隙混合悬浮系统结构设计与特性分析.西安电子科技大学学报(自然科学版).第39卷第3期，2012.6；王莉等给出了永磁和电磁构成的混合悬浮系统的数学模型，分析了其性质，采用定气隙控制指标，设计了使系统稳定的控制器，并验证了这种混合式悬浮系统可以通过控制实现大气隙、低能耗的稳定悬浮，见文献王莉，熊剑，张昆仑，连级三.永磁和电磁构成的混合式悬浮系统研究.铁道学报.第27卷第3期，2005.6；李奇南等在四电磁铁支撑钢板磁浮系统的气隙同步协调控制中，为改善气隙动态同步性能，提出一种动态同步控制策略，引入气隙、速度双重交叉耦合控制，通过选取相应同步误差以建立多电磁铁系统间的协调关系，补偿参数差异、扰动所造成的影响，减小气隙轮廓误差，结果验 证了所提出的气隙动态同步控制的有效性，见文献李奇男，徐德鸿.四电磁铁支撑钢板磁悬浮系统气隙交叉耦合控制.中国电机工程学报.第30卷第33期，2010.11；陈树文研究了混合系统的非线性问题，基于反馈线性化方法，提出了一种适应负载的非线性控制方法,设计了状态反馈控制器并对其鲁棒性进行了分析，结果表明该控制方法有较好的鲁棒性和抗干扰能，见文献陈树文.2009.永磁电磁混合悬浮控制算法研究[D].硕士学位论文，长沙：国防科学技术大学。梁中华等出采用Fuzzy控制和PID控制相结合的Fuzzy-PID控制算法，在常规PID调节器的基础上运用模糊推理思想，根据不同的偏差、偏差变化率对PID参数进行自校正，仿真结果表明，系统具有较好的动静态性能，满足混合磁悬浮系统的要求，见文献梁中华,吴红波,杨霞,李庆江.FLgzy-PID控制算法在永磁电磁混合悬浮系统中的应用.沈阳工业大学学报.第30卷第1期,2008.2。 

以上磁场控制方法虽然在给定条件下可实现电磁永磁混合悬浮系统的控制，而且也考虑了相应的耦合性，但对分布式电磁系统的时延和时变性都没能进行深入研究，且都针对的是单个电磁铁系统，不能适用于分布式电磁阵列系统。 

发明内容

要解决的技术问题 

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法。 

技术方案 

一种分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法，其特征在于：电磁阵列为多个相同电磁线圈，以N行M列方式排列的电磁阵列，电磁阵列上方任意点的电磁力的控制步骤如下： 

步骤1：根据悬浮物已知的粗配平精度计算所需要的竖直方向的电磁力 F_电磁力＝mg(1-u)，单位为牛；其中：m为悬浮物的质量，单位为千克；g为重力加速度，取9.8m/s²；u为粗配平精度，用百分数表示； 

步骤2：测量悬浮物位于某一电磁单元上方不同高度时，悬浮物所需电磁力F_电磁力的标称电流值，得到所有N行M列的电磁阵列单元上方不同高度时所有的电流值；所述不同高度为等间隔的高度； 

步骤3：当驱动悬浮物按照需要的三维曲线运动轨迹进行运动时，启动与运动轨迹下方相吻合的某一电磁单元，赋予该电磁单元的电流值为运动轨迹高度相应的标称电流值，当悬浮物运动向前运动到前一个电磁单元1/4边长的位置时，关闭前一个电磁单元。 

所述等间隔为位置测量系统的最小分辨距离。 

所述的N行M列的N与M为相等或不等的整数。 

有益效果 

本发明提出的一种分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法，在微重力环境模拟的实验中进行了应用，通过该控制方法，可以精确控制分布式电磁系统产生的耦合电磁力，并驱动实验体进行竖直方向和水平方向的运动，在外界测量系统的位置测量误差5mm，数据传输率只有5Hz的条件下，通过本发明的控制方法对电磁力进行控制，使电磁力驱动的实验体位置控制精度达到1cm、超调量小于8mm、稳态误差小于5mm、响应速度小于1s。 

附图说明

图1：本发明实施例N＝M＝3的分布式电磁阵列排布图； 

图2：电磁力系统的高度反馈控制系统的结构框图； 

图3：5号电磁单元和8号电磁单元之间的运动； 

图4：5号电磁铁和8号电磁铁之间的同高度水平运动控制流程图； 

图5：九个电磁铁的中心位置示意图； 

图6：分布式电磁线圈励磁单元的选择原理图； 

图7：三维运动时的控制流程图； 

图8：5号电磁铁上方450mm定点悬浮控制曲线图； 

图9：5号电磁铁上方进行不同高度下切换运动曲线图； 

图10：九个电磁铁切换运动时Y轴方向运动曲线图； 

图11：九个电磁铁切换运动时X轴方向运动曲线图； 

图12：九个电磁铁切换运动时Z轴方向运动曲线图； 

图13：分布式电磁-液浮混合悬浮系统的组成及原理图； 

1-悬浮物，2-单个电磁单元，3-电磁阵列，4-水箱，5-水，6-导线，7-交直流电源控制柜其内部装有N*N个可单独控制的交直流电源。 

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述： 

本发明针对的分布式电磁阵列，是一种由多个相同电磁线圈按照一定的方式进行紧密排列形成的，一般可以采用N行M列的形式，行列数可以相同也可以不同，具体根据所要排布的空间确定。 

基于这样的分布式排列思想，整个系统中单个线圈产生的磁场之间将相互影响，因此分布式电磁阵列产生的电磁场是一种多极耦合磁场，而多极耦合磁场由于其强非线性、强耦合性、大时延特性等，致使目前的控制方法不能完全适用，因此如何控制就成为必须解决的问题。本发明的目的就是通过结合多种控制原理，制定特殊的控制策略，实现大范围空间分布式电磁系统磁场的控制，为其在实际中的有效利用提供技术条件。 

实施例的分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法，其特征在于：电磁阵列为多 个相同电磁线圈，以3行3列方式排列的电磁阵列，对电磁阵列上方任意点的电磁力进行控制，先后实现竖直方向的运动和任一点悬浮、不同电磁铁间的运动和三维运动，具体步骤如下(以M＝N＝3的电磁阵列为例，分布图如下图-1所示)： 

步骤1：根据悬浮物已知的粗配平精度计算所需要的竖直方向的电磁力F_电磁力＝mg(1-u)，其中F_电磁力为精确配平时所需的电磁力的大小，单位为牛，m为物体质量，单位为千克，g为重力加速度，取9.8m/s²，u为粗配平精度，用百分数表示； 

步骤2：测量悬浮物位于某一电磁单元上方不同高度时，悬浮物所需电磁力F_电磁力的标称电流值，得到所有3行3列的电磁阵列单元上方不同高度时所有的电流值；所述不同高度为等间隔的高度； 

步骤3：通过九个电磁铁的切换组合，实现悬浮物体在空间中的三维曲线运动。 

以5号电磁铁上方运动到8号电磁铁的运动为例： 

1、根据事先由实验测量得到的各个高度的平衡电流U_b(即是使得悬浮物保持平衡时所测得的电流)，以及VPS(视觉测量系统)所测量的悬浮物的实际高度H与理想悬浮高度H₀的误差e，反馈到软件部分的控制律U_out＝K_p*e+K_i*∫e+U_m+U_n，K_p、K_i是通过实验测定的PI参数，Um和Un也是通过实测测得的标准电流和调整电流，形成控制指令输入到5号电磁单元，并通入U_out大小的电流从而可以产生相应的电磁控制力使悬浮物运动到理想高度H₀，此时保持5号电磁单元的输入电流为U_out＝U_b，使得悬浮物在浮力、重力、电磁力三者作用下保持平衡，即定点悬浮； 

2、以5号电磁单元上方550mm运动到450mm为例进行竖直方向的运动说明。此时的理想高度H₀＝450mm，测量高度H＝550mm，误差为e＝H-H₀，反馈到控制律U_out＝K_p*e+K_i*∫e+U_m+U_n，此时的悬浮物的运动状态为下降，其所需的PI参数、Um和Un都是从之前下降实验中所得的参数中进行选择(同一高度，上升和下降时的PI参数、Um和Un都不一样)，形成控制指令输入到5号电磁单元通入U_out产生相应 的电磁力，使得悬浮物逐渐下降知道达到理想高度H₀＝450mm，(由于测量高度不断变化，U_out也不断变化)此时控制U_out＝U_b，稳定在450mm高度，即实现了竖直方向的运动，控制系统的结构图如下图2； 

所述的在运动中两个电磁铁的切换过程： 

不同电磁铁之间的切换运动，采用的是两个个电磁单元同时通电以实现水平运动，具体步骤如下(以图3中的5号电磁单元和8号电磁单元之间的运动为例为例说明，采用模型参考自适应PID算法运算得到的控制信号为U，5号电磁铁的输出为U5，8号电磁铁的输出为U8，：图中线b和c分别为5号电磁铁和8号电磁铁的中心位置，b线是x＝1150mm，c线是x＝1600mm，b2为b线右100mm处线即x＝1250mm，c1线为c线左100mm处线即x＝1500mm)： 

1、根据VPS测量系统测定悬浮物的位置x(水平位置)和z(竖直位置)，当悬浮物稳定在5号或者8号电磁单元上方时，此时只给5号或8号电磁单元输入该高度下的平衡电流U_b，保证悬浮物在电磁单元上方的稳定悬浮，此步骤主要用于最终位置的稳定悬浮； 

2、当悬浮物从5号电磁单元运动到8号电磁单元的过程中，需判断悬浮物的具体位置：当悬浮物体从5号向8号运动时：当x≥c1时，U5＝0，U8＝U；当x＜c1时，U5＝n*U，U8＝m*U；即b2＜x＜c1时的切换为：当悬浮物体从5号向8号运动时，U5＝n*U，U8＝m*U，其中m、n为比例系数，且m、n可以随着悬浮物体运动状态的改变而不断改变。当悬浮物体向上运动和向下运动时，该比例系数是不同的：向上时m＝1、n＝0.7，向下时m＝1、n＝0.5输入给5号和8号相应的信号，分别通入U5和U8的电流产生电磁力控制悬浮物在两个电磁单元之间运动，控制流程图如下图5. 

利用上述原理，实现悬浮物体在空间中的三维运动：通过九个电磁铁的切换组合，实现悬浮物体在空间中的三维曲线运动，在第二阶段的基础上，我们将用九个电磁铁 实现电磁铁的三维曲线运动，其运动轨迹如下：5号电磁铁→2号电磁铁→1号电磁铁→4号电磁铁→7号电磁铁→8号电磁铁→9号电磁铁→6号电磁铁→3号电磁铁→2号电磁铁→5号电磁铁。如下图5所示，为九个电磁铁的中心位置示意图。其中，a＝700mm，b＝1150mm，c＝1600mm，f＝700mm，e＝1150mm，d＝1600mm，a1＝600mm，a2＝800mm，b1＝1050mm，b2＝1250mm，c1＝1500mm，c2＝1700mm，d1＝1700mm，d2＝1500mm，e1＝1250mm，e2＝1050mm，f1＝800mm，f2＝600mm。 

具体过程为： 

1、根据VPS测量系统测定悬浮物的位置x(水平位置)和z(竖直位置)，当悬浮物某电磁单元正上方范围(例如5号电磁单元即是：b1<x<b2,e2<z<e1)时，此时只给该电磁单元输入该高度Z下的平衡电流U_b，保证悬浮物在电磁单元上方的稳定悬浮； 

2、当悬浮物从5号电磁单元运动到2号电磁单元的过程中，理论上，各个电磁铁切换时，悬浮物体需要运动向哪个电磁铁时，则电磁铁打开，但考虑到开关的动作需要占用一定时间，带电开关会存在危险，因此，我们在悬浮物体运动的过程中，采用“提前强制输出电流为零”和“提前切换线路”的方法,所谓提前切换线路即是所设计的预测控制方法，根据悬浮物的运动历史对悬浮物的运动做一个预判，并与VPS测量的实际位置相比较进行预测控制，满足系统的切换条件时进行电磁单元的切换，例如满足切换条件，则从5号切换到2号电磁单元，选择过程见下图6； 

3、当悬浮物体从5号向2号运动时：当x≥e1时，U5＝0，U2＝U；当x＜e1时，U5＝n*U，U2＝m*U；即e2＜x＜d2时的切换为：当悬浮物体从5号向2号运动时，U5＝n*U，U2＝m*U，其中m、n为比例系数，且m、n可以随着悬浮物体运动状态的改变而不断改变。当悬浮物体向上运动和向下运动时，该比例系数是不同的：向上时m＝1、n＝0.7，向下时m＝1、n＝0.5输入给5号和28号相应的信号，分别通入U5和U2的电流产生电磁力控制悬浮物在两个电磁单元之间运动，依次控制悬浮物从2号电磁 铁→1号电磁铁→4号电磁铁→7号电磁铁→8号电磁铁→9号电磁铁→6号电磁铁→3号电磁铁→2号电磁铁→5号电磁铁之间运动，控制流程图如下图7。 

本发明可以控制分布式电磁阵列所产生的电磁力，适用于电磁力驱动的空间三维运动，可较好地克服电磁场的耦合性和时滞性。通过实验，本发明所采用的控制方法可以达到如下实验效果(实验实测结果)。 

悬浮物体在5号电磁铁上方进行450mm下的定点悬浮控制，截取其中的600s时间内的垂直方向数据绘制曲线如图8所示。 

悬浮物体在5号电磁铁上方进行不同高度下切换运动的控制，截取其中的675s时间内的垂直方向数据绘制曲线如图9所示。其中0—80s时间内稳定目标为550mm，80—160s时间内稳定目标为500mm，160—240s时间内稳定目标为450mm，240—320s时间内稳定目标为400mm，320—400s时间内稳定目标为450mm，400—480s时间内稳定目标为500mm，480—560s时间内稳定目标为550mm，560s时间以后稳定目标为450mm。 

悬浮物体在九个电磁铁上空的切换运动。其运动轨迹如下：5号电磁铁→2号电磁铁→1号电磁铁→4号电磁铁→7号电磁铁→8号电磁铁→9号电磁铁→6号电磁铁→3号电磁铁→2号电磁铁→5号电磁铁。 

Claims (3)

1.一种分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法，其特征在于：电磁阵列为多个相同电磁线圈，以N行M列方式排列的电磁阵列，电磁阵列上方任意点的电磁力的控制步骤如下：

步骤1：根据悬浮物已知的粗配平精度计算所需要的竖直方向的电磁力F_电磁力＝mg(1-u)，单位为牛；其中：m为悬浮物的质量，单位为千克；g为重力加速度，取9.8m/s²；u为粗配平精度，用百分数表示；

步骤2：测量悬浮物位于某一电磁单元上方不同高度时，悬浮物所需电磁力F_电磁力的标称电流值，得到所有N行M列的电磁阵列单元上方不同高度时所有的电流值；所述不同高度为等间隔的高度；

步骤3：当驱动悬浮物按照需要的三维曲线运动轨迹进行运动时，启动与运动轨迹下方相吻合的某一电磁单元，赋予该电磁单元的电流值为运动轨迹高度相应的标称电流值，当悬浮物运动向前运动到前一个电磁单元1/4边长的位置时，关闭前一个电磁单元。

2.根据权利要求1所述分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法，其特征在于：所述等间隔为位置测量系统的最小分辨距离。

3.根据权利要求1所述分布式电磁阵列耦合电磁力复合控制方法，其特征在于：所述的N行M列的N与M为相等或不等的整数。