[发明专利]一种受到单方向控制限制的磁悬浮小球控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮系统控制方法。特别是涉及一种受到单方向控制限制的磁悬浮小 球控制方法。

背景技术

磁悬浮技术是利用磁力使物体处于无接触悬浮状态，集电磁学、电子学、力学、机械学、 控制工程和计算机科学于一体的技术。1842年英国物理学家恩休(Eeanshow)首先提出磁悬浮 的概念。1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮 列车专利。1935年，赫尔曼·肯佩尔运用试验模型证实了磁悬浮，提出了应用于轨道交通的可 能，由此拉开了磁悬浮技术的研究与应用的序幕。1939年，Braunbek经过进一步的物理剖析， 得出唯有抗磁材料或超导材料，才能依靠选择恰当的永久磁铁结构和相应的磁场分布而实现 稳定的悬浮。随着现代控制理论和电子技术的发展，从上世纪60年代中期，各主要工业国家 相继投入对有源磁悬浮技术的研究，磁悬浮技术的研究步入了一个全新的时期，英国、日本 和德国都相继开展了磁悬浮列车的研究。70年代后期以来，电力电子技术、磁性材料技术、 计算机技术、检测技术和控制理论的发展，促进了磁悬浮技术的飞速发展，磁悬浮技术成为 各国研究开发的热点，越来越多的科研单位和公司加入到磁悬浮技术的研究和开发的行列。 进入80年代，超导现象首先应用在磁悬浮方面，超导技术与磁悬浮技术的结合，新材料、新 工艺、新器件的出现以及现代控制技术的发展，使电磁悬浮技术趋于成熟，由理论研究阶段 进入了实际应用的新阶段—磁悬浮列车技术实用领域。随着磁悬浮技术研究和应用的不断深 入，目前，在空间技术、物理技术、机械加工、振动控制、机器人、离心机等工业应用领域 磁悬浮技术都得到了广泛的应用。

根据所建立磁悬浮模型，受力体所受到磁力与通过电磁线圈的电流的平方成正比，所以 以电流为控制输入必需保证系统输入恒为正值。这就限制了受力体的运动范围和控制器设计 的难度。目前普遍采用限幅控制算法，令系统控制输入的幅值限制在大于零的范围之内(期 刊：IEEE/ASMETransactionsonMechatronics；著者：M.G.Feemster,Y.C.Fang,D.M.Dawson； 出版年月：2006年；文章题目：DisturbanceRejectionforaMagneticLevitationSystem，页码： 709-717)。但是这种算法会极大的限制受力体的运动，使之只能于有限范围内活动。

基于以上分析能够发现，磁悬浮控制器设计面临的主要问题包括：单控制方向限制和扰 动抑制。除以上两点，磁悬浮系统建立准确的动力学模型中还具有很多的不确定性，这些不 确定性主要来自于以下几个方面。第一，磁通量在铁芯及空气中分布密度不均匀。第二，磁 悬浮系统动力学模型中存在参数不确定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种使系统在单控制方向限制下，对外部扰动和系 统不确定性具有良好的鲁棒性能的受到单方向控制限制的磁悬浮小球控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种受到单方向控制限制的磁悬浮小球控制方法，包括如 下步骤：

1)确定磁悬浮小球动力学模型；

2)设计磁悬浮小球控制系统，包括：

(1)定义磁悬浮小球的高度的跟踪误差；

(2)定义坐标变换，并得到系统的升阶动力学模型；

(3)采用一种连续的控制算法设计，使小球高度指数跟踪参考轨迹。

步骤1)所述的磁悬浮小球动力学模型，包括：定义实际磁悬浮小球高度为x₁，磁悬浮 小球高度方向的速度为x₂，磁芯电流为i，外部扰动为d，磁悬浮小球的动力学模型表示为：

x·1=x2]]>