基于滑模变结构控制的磁悬浮球实时控制系统的研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要磁悬浮系统是一个复杂的非线性、开环不稳定系统，其研究涉及控制理论、电磁场理论、电力电子技术以及计算机科学等众多领域。而其中控制器性能的好坏直接影响磁悬浮技术的应用和发展。滑模变结构控制对系统参数的摄动、外界的扰动、系统的不确定性等具有独特、优异的鲁棒性，并且算法简单，一直吸引着诸多学者的研究兴趣。本文针对一套单自由度的磁悬浮球系统进行了滑模变结构控制算法的研究并在此基础上成功实现了磁悬浮球系统的实时数字控制。首先，本文分析了磁悬浮球系统的工作原理并推导了系统的数学模型，包括在平衡点展开的线性模型和接

2、近实际情况的非线性模型。然后介绍了滑模变结构控制算法的基本原理和设计步骤，设计了最佳的磁悬浮球系统的滑模控制器。仿真结果表明，与传统的PID控制相比采用滑模控制器能获得更好的动态性能，并且避免了PID控制中三个参数反复选取的问题，因而更加简便、实效。其次，针对滑模控制中出现的“抖振”问题将模糊控制与滑模控制相结合，设计出基于等效控制的模糊滑模控制器，仿真结果显示，与普通滑模控制和传统的PID控制相比该控制器能有效地削弱“抖振”同时又有较高的实时性。另外，本文尝试用基于非线性滑模面的全局快速Terminal滑模控制来研究磁悬浮球系统

3、的稳定性和到达时间。仿真结果表明该控制算法能使系统状态在有限时间内快速、精确地收敛到平衡状态，并能消除抖振现象。最后，介绍了MATLAB中实时工具箱RTW的工作原理，并利用RTW进行磁悬浮球系统的实时数字控制，最终实现了钢球的稳定悬浮。关键词：磁悬浮球，滑模变结构控制，抖振，模糊控制，RTWi基于滑模变结构控制的磁悬浮球实时控制系统的研究AbstractThemagneticlevitationsystem(maglev)isacomplex,nonlinearandnaturallyunstablesystem.Theresea

4、rchonsuchsysteminvolvescontroltheory,electromagnetism,electricandelectronictechnology,computerscienceandsoon.Thecontroller’sperformancedirectlyinfluencesthewideapplicationsofthemagneticlevitationtechnology.Theslidingmodevariablestructurecontrolcatchesmanyresearchers’a

5、ttentionsextensivelybecauseithasdistinctandidealrobustnessandholdstheinvarianceforthechangeofsystemparameters,outsidedisturbanceanduncertaintyofthesystem,andthealgorithmisverysimple.Thispaperstudiesthesingle-degree-offreedommaglevballsystemwiththeslidingmodecontrolari

6、thmeticandthedigitalcontrolofthesystemisachievedfinally.Firstofall,thispaperestablishesthesystem’slinearizationmodelandnonlinearmodelbasedonanalysisofprincipleofsystem.Andthen,thebasicprincipleanddesignstepsoftheslidingmodevariablestructurecontrolarithmeticareintroduc

7、ed.ThebestslidingmodecontrollerisgainedafterthestimulationsinMATLAB.TheresultsindicatesystemcangetmuchbetterdynamicperformanceswiththeslidingmodecontrollercomparedwiththetraditionalPIDcontroller.Inaddition,inordertoresolvethechatteringproblem,afuzzyslidingmodecontroll

8、erbasedontheequivalentcontrolisdesigned.Theresultsindicatethecontrollercanbothreducethechatteringandensuretherealtimeidentit