CN109514346A - 一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法及系统。该方法包括：测量位移信号；对位移进行微分运算得到速度信号；引入PID控制、自适应控制和滑模变结构控制，根据速度信号的值判断导轨所处阶段，通过在线调节三种控制算法的因子系数，改变三种控制算法的强度，形成不同的特征主导型控制策略。在系统初始运行阶段、平稳运行阶段及受到扰动运行阶段时，本发明根据系统呈现出的特征进行有效的控制；本发明采用“软切换”方式，避免了因切换造成的过渡期内失稳；本发明保证了输入信号的周期和相位完全一致，使得控制信号在绝对同步下进行无跳变切换。

Description

一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮系统控制方法，特别涉及一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法及系统，属于数控机械加工技术领域。
背景技术
主动磁悬浮导轨通常被应用于数控机床加工中，由于主动磁悬浮导轨的滑箱5与导板之间相对运动时表面没有接触，大大地减小了运动阻力，因而加快了导轨的运动响应，为提高数控机床的进给速度提供了技术条件，避免了因机械摩擦和直接接触而导致的导轨寿命缩短和加工精度下降等问题，因而主动磁悬浮导轨的可靠性远远高于普通导轨。与静压导轨相比，由于主动磁悬浮导轨省掉了庞大的油路系统，所以减轻了环境污染、降低了洁净防尘条件。衡量主动磁悬浮导轨工作的指标有：稳定性、加工精度、使用寿命等指标。影响主动磁悬浮导轨稳定性主要取决于系统采用的控制方法。
主动磁悬浮导轨的工作平面必须采用多点支承，但是对于一个平面而言，这种多点支承就存在主动式过约束。随着主动磁悬浮技术的深入研究，发现多点支承的主动磁悬浮导轨系统的主动式过约束会引起“颤振”，导致难以将先进的控制策略应用到平面多点支承的主动磁悬浮导轨系统中，也难以进一步提高主动磁悬浮导轨的承载能力和控制精度，甚至阻碍了主动磁悬浮导轨的研究工作。
发明内容
本发明从机床导轨的承载特性考虑，针对多点支承的主动磁悬浮导轨中出现的“颤振”问题，提供一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法及系统，根据导轨运行阶段所呈现出的不同特征，基于PID控制、模型参考自适应控制及滑模变结构控制的特征主导型控制策略，进一步提升主动磁悬浮导轨的性能。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法，包括：测量位移信号；对位移进行微分运算得到速度信号；引入PID控制、自适应控制和滑模变结构控制，根据速度信号的值判断导轨所处阶段，通过在线调节三种控制算法的因子系数，改变三种控制算法的强度，形成不同的特征主导型控制策略。
更进一步地，
当导轨的速度信号小于最大值ε1时，识别判断模块判断导轨处于平动阶段，此时选择PID主导型控制算法；
当导轨的速度信号大于最小值ε2时，识别判断模块判断导轨处于冲击段，此时选择滑模变结构主导控制算法；
当导轨的速度信号处于最大值与最小值之间时，识别判断模块判断导轨处于过渡段，此时选择自适应主导控制算法。
更进一步地，最大值ε1的取值为0.125m/s；最小值ε2的取值为0.56m/s。
更进一步地，判别出主动磁悬浮导轨的三种状态之后，通过调整α、β和γ三个参数来获得最佳控制效果；其中，α、β和γ三个可调参数的范围均为0～1，且其之和为1。
本发明还提供一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制系统，包括：特征主导识别模块、PID控制模块、自适应控制模块、滑模变结构控制模块、主导判断及参数调整模块、磁阻尼控制模块、等效线性对象、位移检测模块；
位移检测模块检测导轨工作台悬浮时的位移信号，对位移信号进行微分得到导轨工作台的运行速度信号，速度信号作为特征主导识别判断模块的输入信号，位移反馈信号与参考输入信号进行比较得到偏差信号，所述偏差信号作为三种控制模块的输入信号，主导判断及参数调整模块通过在线调节三种控制模块的因子系数，改变三种控制算法的强度，然后叠加为一个总输出信号，所述位移信号经微分后得到速度信号，所述速度信号经阻尼参数设定后进入磁阻尼控制模块，所述磁阻尼控制模块根据所述输出信号和阻尼参数设定后的速度信号对等效线性对象进行控制。
更进一步地，所述等效线性对象包括功率放大器和磁悬浮导轨工作台，所述总输出信号经功率放大器放大后驱动电磁铁，用来对磁悬浮导轨工作台位移进行控制。
更进一步地，所述位移检测模块包括位移传感器，在主动磁悬浮导轨平台上共安装四对支承电磁铁和两对导向电磁铁，位移传感器安装在电磁铁上。
更进一步地，所述支承电磁铁上安装有调节垫块，所述调节垫块的材料采用非导磁不锈钢。
更进一步地，所述导向电磁铁上的传感器采用电涡流位移传感器，其包括探头和调理电路，探头用于检测导轨在任意时刻的位移信号，调理电路将检测到的位移信号转换为相应的电压信号，作为反馈信号送给控制器并按照预先设置的控制规律进行数据处理，然后送入功率放大器。
更进一步地，对垂直位移信号进行微分，得到导轨工作台的方向的变化速度，根据主动磁悬浮导轨的4个垂直方向上的位移传感器获得的速度信号进行判断，根据导轨的4个垂直方向运行速度值判断导轨所处的状态，然后确定导轨系统处于哪种运行阶段，从而采用相应类型的主导型控制策略。
本发明具有如下有益效果：
(1)特征控制性。主动磁悬浮导轨系统运行过程中，在系统初始运行阶段、平稳运行阶段及受到扰动运行阶段时，都会呈现不同的特征，特征主导型控制策略主要根据系统呈现出的特征进行有效的控制。
(2)输出连续性。由三个可调参数的范围均为0～1，且其之和为1，所以此种切换方式是一种“软切换”，使输出信号的过渡连续无跳变，避免了因切换造成的过渡期内失稳，实现了系统的连续输出。
(3)切换同步性。由于三个通道始终处于工作状态，又采用同一个输入信号，保证了输入信号的周期和相位完全一致，所以这种切换可以使得控制信号在绝对同步下进行无跳变切换，即系统始终工作在同步状态，这为实现平稳过渡和切换提供了必要条件。
附图说明
图1是主动磁悬浮导轨平台的结构示意图。
图2是本发明的系统原理图。
图3是本发明的方法流程图。
图中标记：1、调节垫块；2、导板；3、直线电机；4、支承电磁铁；5、滑箱；6、位移传感器；7、端部支承墙板；8、导向电磁铁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
主动磁悬浮导轨系统如图1所示，主要由导向电磁铁8、支承电磁铁4、导板2、位移传感器6、放大器、控制器和直线电机3组成。位移传感器的探头检测出导板与电磁铁之间的气隙变化，将这一物理信号转换为电信号，然后经过调理电路送到控制器，控制器对检测到的位移信号按照施加的主导型控制方法进行相关的运算，然后输出相应的控制电信号，再经过功率放大器放大后传送给差动电磁铁线圈，调节电磁铁线圈中电流的大小，从而使电磁铁线圈中产生的电磁力发生变化，进而保持导轨系统处于平衡位置。
在无颤振的状态下，针对主动磁悬浮导轨在机床工作时特有的工作状态，即过渡过程状态、平动状态和外部冲击状态，采用一种特征主导型的控制策略，使导轨处于性能最佳的工作模式。所谓特征主导型的控制策略就是引入PID控制、自适应控制和滑模变结构控制，通过在线调节三种控制算法的因子系数，形成不同的特征主导型控制策略。三种主导型控制策略的平滑过渡，实际上是改变三种控制算法的强度，通过三个参数来调整三个通道的强度，即三种控制方式始终处于工作状态，只是根据对象工作的特征，有规律地改变各个通道的强度，从而实现三种方式的平稳切换。
在主动磁悬浮导轨平台上共安装四对支承电磁铁和两对导向电磁铁，传感器直接安装在电磁铁上。端部支承墙板7起到固定导板的作用。调节垫块1的材料采用非导磁不锈钢，其作用主要有两个方面：一是调节电磁铁与直线导轨间的气隙为0.2mm；二是隔磁，防止磁通沿着进给导轨“漏掉”。直线电机的作用是产生进给力，使滑箱5沿着导板移动。两端的传感器主要采用电涡流位移传感器，其包括探头和调理电路，探头的作用是检测导轨在任意时刻的位移信号，调理电路将检测到的位移信号转换为相应的电压信号，作为反馈信号送给控制器并按照预先设置的控制规律进行数据处理，然后送入功率放大器。
如图2所示，在主导型控制策略中，让这些主导型的控制模块做到始终融合，并有一定的针对性。比如在模型参考自适应主导控制中，以自适应控制为主，滑模变结构控制与PID控制为辅，输出是由主导型的自适应控制量与弱型化的滑模变结构控制及弱型化的PID控制的输出叠加而成，这三种控制的强度变换是有源变换，也就是在控制过程中按要求改变相应通道的强度，然后叠加为一个总输出，故形成多通道的相位同步与强度转换，即特征主导型控制的相位同步与强度转换，主动磁悬浮导轨系统的主导型控制原理图中虚线部分为特征主导型控制部分。
如图3所示，主动磁悬浮导轨系统中，平面位移传感器检测导轨工作台悬浮时的位移信号，对位移信号进行微分得到导轨工作台的运行速度信号，速度信号作为特征主导识别判断模块的输入信号，位移反馈信号与参考输入信号进行比较得到偏差信号，此偏差信号作为三种控制模块的输入信号。模块的输出信号经功率放大器进行放大后驱动电磁铁，用来对主动磁悬浮导轨工作台位移的控制。
对平面多点支承系统中的垂直位移信号进行微分，得到导轨工作台的方向的变化速度，识别判断模块主要根据主动磁悬浮导轨的4个垂直方向上的位移传感器获得的速度信号进行判断，根据导轨的4个垂直方向运行速度值判断导轨所处的状态，然后确定导轨系统处于哪种运行阶段，从而采用相应类型的主导型控制策略。
(1)当导轨的速度信号小于ε1时(ε1取0.125m/s)，识别判断模块判断导轨处于平动阶段，此时选择PID主导型控制算法。
(2)当导轨的速度信号大于ε2时(ε2取0.56m/s)，识别判断模块判断导轨处于冲击段，此时选择滑模变结构主导控制算法。
(3)当导轨的速度信号处于最大值与最小值之间时，识别判断模块判断导轨处于过渡段，此时选择自适应主导控制算法。
判别出主动磁悬浮导轨的三种状态之后，通过调整α、β和γ三个参数来获得最佳控制效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法，其特征在于，包括：
测量位移信号；
对位移进行微分运算得到速度信号；
引入PID控制、自适应控制和滑模变结构控制，根据速度信号的值判断导轨所处阶段，通过在线调节三种控制算法的因子系数，改变三种控制算法的强度，形成不同的特征主导型控制策略。
2.根据权利要求1所述的一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法，其特征在于，
当导轨的速度信号小于最大值ε1时，识别判断模块判断导轨处于平动阶段，此时选择PID主导型控制算法；
当导轨的速度信号大于最小值ε2时，识别判断模块判断导轨处于冲击段，此时选择滑模变结构主导控制算法；
当导轨的速度信号处于最大值与最小值之间时，识别判断模块判断导轨处于过渡段，此时选择自适应主导控制算法。
3.根据权利要求2所述的一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法，其特征在于，最大值ε1的取值为0.125m/s；最小值ε2的取值为0.56m/s。
4.根据权利要求2所述的一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制方法，其特征在于，判别出主动磁悬浮导轨的三种状态之后，通过调整α、β和γ三个参数来获得最佳控制效果；其中，α、β和γ三个可调参数的范围均为0～1，且其之和为1。
5.一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制系统，其特征在于，包括：特征主导识别模块、PID控制模块、自适应控制模块、滑模变结构控制模块、主导判断及参数调整模块、磁阻尼控制模块、等效线性对象、位移检测模块；
位移检测模块检测导轨工作台悬浮时的位移信号，对位移信号进行微分得到导轨工作台的运行速度信号，速度信号作为特征主导识别判断模块的输入信号，位移反馈信号与参考输入信号进行比较得到偏差信号，所述偏差信号作为三种控制模块的输入信号，主导判断及参数调整模块通过在线调节三种控制模块的因子系数，改变三种控制算法的强度，然后叠加为一个总输出信号，所述位移信号经微分后得到速度信号，所述速度信号经阻尼参数设定后进入磁阻尼控制模块，所述磁阻尼控制模块根据所述输出信号和阻尼参数设定后的速度信号对等效线性对象进行控制。
6.根据权利要求5所述的一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制系统，其特征在于，所述等效线性对象包括功率放大器和磁悬浮导轨工作台，所述总输出信号经功率放大器放大后驱动电磁铁，用来对磁悬浮导轨工作台位移进行控制。
7.根据权利要求5所述的一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制系统，其特征在于，所述位移检测模块包括位移传感器，在主动磁悬浮导轨平台上共安装四对支承电磁铁和两对导向电磁铁，位移传感器安装在电磁铁上。
8.根据权利要求7所述的一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制系统，其特征在于，所述支承电磁铁上安装有调节垫块，所述调节垫块的材料采用非导磁不锈钢。
9.根据权利要求7所述的一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制系统，其特征在于，所述导向电磁铁上的传感器采用电涡流位移传感器，其包括探头和调理电路，探头用于检测导轨在任意时刻的位移信号，调理电路将检测到的位移信号转换为相应的电压信号，作为反馈信号送给控制器并按照预先设置的控制规律进行数据处理，然后送入功率放大器。
10.根据权利要求7所述的一种应用于主动磁悬浮系统中的主导型控制系统，其特征在于，对垂直位移信号进行微分，得到导轨工作台的方向的变化速度，根据主动磁悬浮导轨的4个垂直方向上的位移传感器获得的速度信号进行判断，根据导轨的4个垂直方向运行速度值判断导轨所处的状态，然后确定导轨系统处于哪种运行阶段，从而采用相应类型的主导型控制策略。
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