基于GA的自调模糊PID控制器在磁悬浮球系统中的应用研究

摘要

磁悬浮技术是磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮电机等应用领域的关键技术，由于其具有无摩擦、无磨损、寿命长、低功耗、无噪声等优点，成为当前控制领域的研究热点之一。
　　 磁悬浮球系统是研究磁悬浮技术的重要平台，由于它具有本质非线性、不确定性和开环不稳定性等特点，使得传统控制方法难以满足系统要求。本文在了解磁悬浮系统特点和国内外相关研究工作的基础上，寻求提高磁悬浮球控制系统整体性能的方法。
　　 首先根据磁悬浮球系统各个组成部分的物理原理建立了系统的数学模型，并对非线性数学模型在平衡点附近进行了线性化分析。针对系统模型的复杂非线性，通过分析经典PID控制以及模糊控制的特点，将两者结合起来，取长补短，形成磁悬浮球系统模糊PID控制器。
　　 然后，针对常规模糊PID控制的不足，引入量化因子自调整的方法，提出一种自调整模糊PID控制算法，使模糊控制的量化因子随着控制需求按一定准则进行伸缩变化。接着将这种控制方法与寻优算法结合起来，运用遗传算法优化伸缩因子的参数。这种自调整控制方法根据系统的动态性能变化在线调整控制参数，由此提高控制器的性能。在Matlab环境下对磁悬浮球控制系统进行仿真，对控制器的控制效果进行验证。
　　 最后，利用磁悬浮实验装置进行实时控制实验，计算机仿真及实时控制实验结果表明:基于GA的自调整模糊PID控制器具有更高的稳态控制精度和较好的动态品质，对于非线性的磁悬浮球系统具有良好的控制效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 磁悬浮技术简介

1．2．1 磁悬浮技术的应用

1．2．2 磁悬浮技术的发展历史和研究现状

1．3 磁悬浮球系统控制方法概述

1．4 本文的主要研究内容

第二章 磁悬浮球系统建模与分析

2．1 磁悬浮球系统的结构及原理

2．2 磁悬浮球系统的非线性模型

2．2 小球运动方程

2．2．2 电磁力模型

2．2．3 电磁铁中电流和电压模型

2．2．4 系统的非线性数学模型

2．3 线性化模型分析

2．4 本章小结

第三章 磁悬浮球系统的模糊PID控制算法研究

3．1 PID控制算法

3．1．1 PID控制基本原理

3．1．2 PID控制器的局限性

3．2 模糊控制

3．2．1 模糊控制基本原理

3．2．2 模糊控制器的设计方法

3．3 磁悬浮模糊PID控制器的设计

3．3．1 模糊PID控制器原理

3．3．2 模糊PID控制器设计

3．4 Matlab仿真分析

3．4．1 S函数建立磁悬浮球系统模型

3．4．2 模糊PID控制器仿真及性能分析

3．5 本章小结

第四章 基于GA的自调整模糊PID控制器设计

4．1 模糊PID控制器的改进策略

4．2 量化因子自调整的模糊PID控制

4．2．1 变论域模糊控制思想

4．2．2 变论域与量化因子的关系

4．3 基于GA的量化因子自调整参数优化设计

4．3．1 遗传算法的基本原理

4．3．2 遗传算法的基本操作

4．3．3 遗传算法优化伸缩因子参数

4．4 基于GA的自调整模糊PID控制器仿真

4．5 本章小节

第五章 磁悬浮球系统实时控制实验

5．1 磁悬浮球实时控制平台简介

5．1．1 实时控制硬件平台

5．1．2 基于RTW的实时控制软件平台

5．2 系统实时控制实验

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果