CN109828478A - 一种磁悬浮系统的滑膜控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，涉及磁悬浮技术领域，包含以下步骤：A、磁悬浮系统的建模；B、获取误差信号，并根据误差信号定义滑膜面，通过对滑膜面的一阶求导，求得滑膜控制律，运用Lyapunov函数验证常规滑膜控制的存在性与可达性，通过仿真得到系统特性曲线；本发明磁悬浮系统的滑膜控制方法对常规滑膜控制容易产生抖振的问题，采用添加边界层方法，即使用连续光滑的饱和函数代替切换函数，滑膜面的设计过程中添加积分控制环节，使其变成积分滑膜面，并在控制律中添加指数趋近律。通过仿真与常规滑膜控制对比，验证改进后削弱抖振的有效性。

Description

一种磁悬浮系统的滑膜控制方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体是一种磁悬浮系统的滑膜控制方法。

背景技术

磁悬浮具有无接触的特点，避免了物体之间的摩擦和磨损，能够延长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、冶金、机械、电器、材料等方面有着广阔的应用前景，其中以磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮电机方面尤为突出。

目前，国内外在磁悬浮研究工作主要集中在磁悬浮列车方面。德国在2005年建成柏林与汉堡之间284km的常导体磁悬浮列车正式运营线路，其速度为420km/h。日本所研制的低温超导磁悬浮在2015年4月21日创造了地面轨道交通工具载人时速603公里的世界新记录，并计划于2027年修建中央新干线磁浮线。这条低温超导磁浮商业运营线旨在连接京东、名古屋和大阪三大城市，全程498公里，运行时速505公里。世界上第一条高速磁悬浮列车商业运行线是上海磁悬浮列车专线，西起上海轨道交通2号线的龙阳路站，东至上海浦东国际机场，专线全场29.863公里，由中德两国合作开发。

磁悬浮轴承是利用磁力将转子无机械摩擦地悬浮在空间的一种新型高性能轴承。由于具有无接触、无摩擦、振动小、不需要润滑、工作寿命长等特点，显著改善旋转机械的振动特性，可用于取代传统的高速滚动轴承和滑动轴承。有关磁悬浮轴承，2015年提出并设计了一种用于高速柔性转子的新型磁轴承，2016年提出一种拟静力学分析方法对磁轴承氦风机辅助轴承抗冲击特性进行研究。磁悬浮电机是利用定子和动子励磁磁场之间“同性排斥，异性相吸”的原理使动子悬浮起来，同时产生推进力驱使动子在悬浮状态下运动。因此，定子与动子之间不存在任何机械接触，可以产生较高的加速度和减速度，机械磨损小，机械与电气保护容易，维护、检修和更换方便，适用于恶劣环境、极其洁净无污染环境和特殊需要的领域。

由此可见磁悬浮系统无接触、无摩擦、无损耗的特点在其应用领域展现的淋漓尽致，但磁悬浮系统是一个典型的非线性系统，其非线性特性是不可忽略的，磁悬浮系统性能的优劣很大程度上取决于控制器的特性，高精度、高响应频率和输出不受外界干扰的特性是渴望的性能，但是磁悬浮中参数的摄动和外界不确定的干扰因素都是难以解决的棘手问题,传统控制难以满足系统要求,因此对控制方法的研究有其非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，包含以下步骤：

A、磁悬浮系统的建模；

B、获取误差信号，并根据误差信号定义滑膜面，通过对滑膜面的一阶求导，求得滑膜控制律，运用Lyapunov函数验证常规滑膜控制的存在性与可达性，通过仿真得到系统特性曲线；

C、在滑膜面中加入积分环节，设定积分增益为正，同时将滑膜面中的切换符号函数用光滑的饱和函数代替，使滑膜面一阶导数为零并加入指数趋近律以得到控制律，运用Lyapunov函数验证滑膜运动的存在性与可达性，通过仿真得到系统状态变量曲线，通过与常规滑膜控制比较，验证基于指数趋近律的积分滑膜控制抑制抖振的有效性；

D、对于系统参数不确定性及外界干扰，添加干扰观测器，构造新的控制律使系统到达滑膜面后沿着滑膜面平稳的移动，通过仿真验证加入干扰观测器后滑动模态下抖振的削弱程度。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤A具体是：研究磁悬浮系统的建模过程，将运动学方程转化为动力学方程，选取系统的状态变量，得到系统的状态空间模型。

作为本发明的进一步技术方案：所述系统的状态变量包括电磁铁的悬浮间距、电磁铁的垂直速度和电磁铁线圈的电流。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤B中的误差信号为理想位置信号与实际位置信号的差值。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤B中的仿真通过Matlab实现。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤C中的仿真通过Matlab实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明磁悬浮系统的滑膜控制方法对常规滑膜控制容易产生抖振的问题，采用添加边界层方法，即使用连续光滑的饱和函数代替切换函数，滑膜面的设计过程中添加积分控制环节，使其变成积分滑膜面，并在控制律中添加指数趋近律。通过仿真与常规滑膜控制对比，验证改进后削弱抖振的有效性，对系统存在的参数不确定性及外 界干扰引起系统抖振问题，在控制律中引入干扰观测器，估计出实际对象与模型输出之间的差值，通过在控制端引入等量的补偿实现对干扰的抑制。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，包含以下步骤：

A、研究磁悬浮系统的建模过程，将运动学方程转化为动力学方程，选取电磁铁的悬浮间距、电磁铁的垂直速度、电磁铁线圈的电流为系统的状态变量，得到系统的状态空间模型。

B、取误差信号为理想位置信号与实际位置信号的差值，根据误差信号定义滑膜面，通过对滑膜面的一阶求导，求得滑膜控制律，运用Lyapunov函数验证常规滑膜控制的存在性与可达性，通过Matlab仿真得到系统特性曲线。

C、在滑膜面中加入积分环节，设定积分增益为正，同时将滑膜面中的切换符号函数用光滑的饱和函数代替，使滑膜面一阶导数为零并加入指数趋近律以得到控制律，运用Lyapunov函数验证滑膜运动的存在性与可达性，Matlab仿真得到系统状态变量曲线，通过与常规滑膜控制比较，验证基于指数趋近律的积分滑膜控制抑制抖振的有效性。

D、对于系统参数不确定性及外界干扰，添加干扰观测器，构造新的控制律使系统到达滑膜面后沿着滑膜面平稳的移动，通过仿真验证加入干扰观测器后，滑动模态下抖振的削弱程度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

磁悬浮系统的建模；

获取误差信号，并根据误差信号定义滑膜面，通过对滑膜面的一阶求导，求得滑膜控制律，运用Lyapunov函数验证常规滑膜控制的存在性与可达性，通过仿真得到系统特性曲线；

在滑膜面中加入积分环节，设定积分增益为正，同时将滑膜面中的切换符号函数用光滑的饱和函数代替，使滑膜面一阶导数为零并加入指数趋近律以得到控制律，运用Lyapunov函数验证滑膜运动的存在性与可达性，通过仿真得到系统状态变量曲线，通过与常规滑膜控制比较，验证基于指数趋近律的积分滑膜控制抑制抖振的有效性；

对于系统参数不确定性及外界干扰，添加干扰观测器，构造新的控制律使系统到达滑膜面后沿着滑膜面平稳的移动，通过仿真验证加入干扰观测器后滑动模态下抖振的削弱程度。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，其特征在于，所述步骤A具体是：研究磁悬浮系统的建模过程，将运动学方程转化为动力学方程，选取系统的状态变量，得到系统的状态空间模型。

3.根据权利要求2所述的一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，其特征在于，所述系统的状态变量包括电磁铁的悬浮间距、电磁铁的垂直速度和电磁铁线圈的电流。

4.根据权利要求3所述的一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，其特征在于，所述步骤B中的误差信号为理想位置信号与实际位置信号的差值。

5.根据权利要求4所述的一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，其特征在于，所述步骤B中的仿真通过Matlab实现。

6.根据权利要求1-4任一所述的一种磁悬浮系统的滑膜控制方法，其特征在于，所述步骤C中的仿真通过Matlab实现。