[发明专利]一种多维磁悬浮隔振平台的控制系统及仿真方法

说明书

本发明公开了一种多维磁悬浮隔振平台的控制系统及仿真方法。其中该控制系统包括三个闭环控制回路，用来实现多维磁悬浮隔振平台在预设宽频带范围内的微振动控制；第一闭环控制回路包括绝对运动状态控制器，其被配置为接收浮子的绝对位移、速度和加速度信号，以隔振控制为目的；第二闭环控制回路包括相对运动状态控制器，其被配置为接收定子与浮子之间的相对位移、速度和加速度信号，以跟踪控制为目的，当微振动频率低于隔振频带范围时，用于保持定子与浮子之间的相对位姿，避免定子与浮子发生机械碰撞；第三闭环控制回路包括电压控制器，其被配置为接收磁悬浮作动器的输出电压信号，用于保证磁悬浮作动器实时提供精确的控制力。

技术领域

本发明属于空间微振动隔振领域，尤其涉及一种多维磁悬浮隔振平台的控制系统及仿真方法。

背景技术

空间微振动具有种类多样化、振动量级小、振动频带宽的特点，当微振动频率在0.01Hz～5Hz之间时，较难实现良好的隔振控制。被动隔振系统对于高频振动具有较好的隔振控制效果，然而对于低频振动控制效果不佳。磁悬浮隔振系统利用磁场与电场产生的洛伦兹力来实现空间微振动的隔离与抑制，对于低至0.01Hz的微振动仍然具有较好的隔振效果，在空间微振动隔振领域，如空间站科学实验、高分辨率对地观测、深空探测、激光通讯等，具有广阔的应用前景。

由于磁悬浮隔振系统具有非线性、强耦合、高响应、宽频带等特点，系统的控制目标与定子和浮子之间的相对位置存在相互制约的关系，这增加了系统低频隔振控制的难度。由于扰动频带较宽，低频和极低频带范围内的微振动对感知系统和控制系统硬件能力要求较高。在极低频带范围内，由于振动幅值较大，为了避免定子与浮子发生碰撞，需要控制浮子与定子之间的相对运动状态，保证浮子处于气隙的中心位置；而对于低频到中高频带范围内的振动，需要消除浮子的绝对运动状态，保持绝对静止状态；由于磁悬浮作动器的磁场的非线性，需要建立电流与浮子平台运动之间的传递函数，实时输出合理的控制电流。以上条件要求系统具有合理的控制策略，才能满足应用要求。另外，由于系统的强耦合特性，单自由度的扰动控制仿真并不能真实反映系统的控制响应。

虽然国内外很多学者研究了基于磁悬浮技术的隔振控制方法，但是这些研究大多是在简化模型的基础上进行的，尚未有针对多维磁悬浮隔振平台的控制策略以及控制仿真系统。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供了一种多维磁悬浮隔振平台的控制系统，其能够实现多维磁悬浮隔振平台在预设宽频带范围内的微振动控制。

本发明的一种多维磁悬浮隔振平台的控制系统，其中，所述多维磁悬浮隔振平台面向空间微振动，所述控制系统包括第一闭环控制回路、第二闭环控制回路和第三闭环控制回路，这三个闭环控制回路用来实现多维磁悬浮隔振平台在预设宽频带范围内的微振动控制；

所述第一闭环控制回路包括绝对运动状态控制器，其被配置为接收浮子的绝对位移、速度和加速度信号，以隔振控制为目的，用于加强浮子与惯性空间的联系，实现从低频到中高频带范围内的微振动控制；

所述第二闭环控制回路包括相对运动状态控制器，其被配置为接收定子与浮子之间的相对位移、速度和加速度信号，以跟踪控制为目的，当微振动频率低于隔振频带范围时，用于保持定子与浮子之间的相对位姿，避免定子与浮子发生机械碰撞；

所述第三闭环控制回路包括电压控制器，其被配置为接收磁悬浮作动器的输出电压信号，用于保证磁悬浮作动器实时提供精确的控制力。

在本发明中，绝对运动状态控制器以隔振控制为目的，隔振控制后，使得浮子的绝对加速度趋近于0，绝对速度也趋近于0，绝对位移为与系统初始参数有关的常量。

进一步的，所述相对运动状态控制器还被配置为：

通过补偿线缆的刚度和阻尼影响的方式来削弱定子与浮子之间的联系，跟踪控制后，使得定子与浮子之间的相对加速度和相对速度趋近于0，相对位移为与系统初始参数有关的常量。