[發明專利]一種受到單方向控制限制的磁懸浮小球控制方法

在審

• 申請號: 201610063822.3
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105700381A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 鮮斌;張垚
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種磁懸浮系統控制方法。特別是涉及一種受到單方向控制限制的磁懸浮小 球控制方法。

背景技術

磁懸浮技術是利用磁力使物體處于無接觸懸浮狀態，集電磁學、電子學、力學、機械學、 控制工程和計算機科學于一體的技術。1842年英國物理學家恩休(Eeanshow)首先提出磁懸浮 的概念。1922年，德國工程師赫爾曼·肯佩爾提出電磁懸浮原理，并于1934年申請了磁懸浮 列車專利。1935年，赫爾曼·肯佩爾運用試驗模型證實了磁懸浮，提出了應用于軌道交通的可 能，由此拉開了磁懸浮技術的研究與應用的序幕。1939年，Braunbek經過進一步的物理剖析， 得出唯有抗磁材料或超導材料，才能依靠選擇恰當的永久磁鐵結構和相應的磁場分布而實現 穩定的懸浮。隨著現代控制理論和電子技術的發展，從上世紀60年代中期，各主要工業國家 相繼投入對有源磁懸浮技術的研究，磁懸浮技術的研究步入了一個全新的時期，英國、日本 和德國都相繼開展了磁懸浮列車的研究。70年代后期以來，電力電子技術、磁性材料技術、 計算機技術、檢測技術和控制理論的發展，促進了磁懸浮技術的飛速發展，磁懸浮技術成為 各國研究開發的熱點，越來越多的科研單位和公司加入到磁懸浮技術的研究和開發的行列。 進入80年代，超導現象首先應用在磁懸浮方面，超導技術與磁懸浮技術的結合，新材料、新 工藝、新器件的出現以及現代控制技術的發展，使電磁懸浮技術趨于成熟，由理論研究階段 進入了實際應用的新階段—磁懸浮列車技術實用領域。隨著磁懸浮技術研究和應用的不斷深 入，目前，在空間技術、物理技術、機械加工、振動控制、機器人、離心機等工業應用領域 磁懸浮技術都得到了廣泛的應用。

根據所建立磁懸浮模型，受力體所受到磁力與通過電磁線圈的電流的平方成正比，所以 以電流為控制輸入必需保證系統輸入恒為正值。這就限制了受力體的運動范圍和控制器設計 的難度。目前普遍采用限幅控制算法，令系統控制輸入的幅值限制在大于零的范圍之內(期 刊：IEEE/ASMETransactionsonMechatronics；著者：M.G.Feemster,Y.C.Fang,D.M.Dawson； 出版年月：2006年；文章題目：DisturbanceRejectionforaMagneticLevitationSystem，頁碼： 709-717)。但是這種算法會極大的限制受力體的運動，使之只能于有限范圍內活動。

基于以上分析能夠發現，磁懸浮控制器設計面臨的主要問題包括：單控制方向限制和擾 動抑制。除以上兩點，磁懸浮系統建立準確的動力學模型中還具有很多的不確定性，這些不 確定性主要來自于以下幾個方面。第一，磁通量在鐵芯及空氣中分布密度不均勻。第二，磁 懸浮系統動力學模型中存在參數不確定性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種使系統在單控制方向限制下，對外部擾動和系 統不確定性具有良好的魯棒性能的受到單方向控制限制的磁懸浮小球控制方法。

本發明所采用的技術方案是：一種受到單方向控制限制的磁懸浮小球控制方法，包括如 下步驟：

1)確定磁懸浮小球動力學模型；

2)設計磁懸浮小球控制系統，包括：

(1)定義磁懸浮小球的高度的跟蹤誤差；

(2)定義坐標變換，并得到系統的升階動力學模型；

(3)采用一種連續的控制算法設計，使小球高度指數跟蹤參考軌跡。

步驟1)所述的磁懸浮小球動力學模型，包括：定義實際磁懸浮小球高度為x₁，磁懸浮 小球高度方向的速度為x₂，磁芯電流為i，外部擾動為d，磁懸浮小球的動力學模型表示為：

x·1=x2]]>