磁悬浮轴承转子系统建模及控制方法研究

摘要

磁悬浮轴承通过磁场对转子产生吸力作用，从而达到对转子的无接触控制，由于它具有零接触、零摩擦、工作寿命久、无需润滑、精度高等优点，引起世界各国科研工作者的广泛关注。然而，磁悬浮轴承系统中工作环境十分繁琐，并且负载也时刻改变，这导致磁悬浮轴承系统的建模工作相当困难，因此磁悬浮轴承系统控制算法的侧重点就是具有高强度抗干扰能力，鲁棒性强，精度高。本文将磁悬浮轴承转子系统作为研究对象，研究并推导了系统主要电磁参数，建立了符合系统要求的高精度数学模型，并将系统控制算法作为研究重点，内容包含如下:给出了磁轴承转子系统工作原理结构图并详细介绍主要工作模块，对磁路法的主导思想进行分析，列举系统要求，详细阐述磁轴承转子系统中的相关经验，并推导出系统所需的主要电磁参数，同时对功放电流响应速度及偏置电流对系统的影响也给出相应分析，这些对于系统建模以及电磁参数推导都十分关键。计算磁悬浮轴承承载力，建立并分析其数学模型，作为推导磁轴承转子系统控制对象数学模型的基础，为控制算法的设计和仿真提供理论依据。针对磁轴承转子系统具有开环不稳定、非线性等因素，以及传统PID控制器由于固定参数无法达到很好的控制效果问题，提出一种RBF前馈逆补偿——RBF神经网络PID控制反馈控制方法，通过RBF神经网络来调节PID控制中的三个参数，满足磁悬浮系统静态和动态性能要求。实验结果表明，该方法比常规PID控制超调量更小反应速度更快。
　　另外针对磁悬浮轴承转子电磁力与控制输入电流存在严重非线性且易受干扰等问题，提出了自适应模糊滑模控制方案。采用非线性趋近律设计了滑模控制器，通过模糊逻辑系统以任意精度逼近不确定部分，从而构造模糊自适应滑模控制器，并通过Lyapunov理论证明该系统的稳定性。该方法不依赖被控对象的精确数学模型，可以使磁悬浮快速地稳定在平衡点，并通过仿真验证了该方法具有快速响应、高精度及很强的抗扰动能力。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 磁悬浮轴承概述

1．1．1 磁悬浮轴承特点

1．1．2 磁悬浮轴承分类

1．2 磁悬浮国内外发展状况

1．2．1 国外发展状况

1．2．2 国内发展状况

1．3 磁悬浮发展趋势

1．4 磁悬浮控制方法综述

1．5 论文研究内容及章节安排

第2章 磁悬浮轴承的工作原理及数学模型

2．1 磁悬浮轴承系统的组成与工作原理

2．2 磁悬浮轴承的数学模型

2．2．1 电磁力的计算

2．2．2 力学模型与转子动力学方程

2．2．3 系统的电学方程

2．2．4 系统的传递函数

2．3 本章小结

第3章 磁悬浮轴承的PID控制及系统模型分析

3．1 磁悬浮轴承闭环系统的动态结构图

3．2 MATLAB／Simulink软件及S函数

3．2．1 MATLAB／Simulink软件

3．2．2 S-函数

3．3 磁悬浮轴承系统PID控制器设计

3．4 MATLAB仿真

3．4．1 线性模型仿真

3．4．2 非线性模型仿真

3．5 本草小结

第4章 磁轴承系统RBF前馈逆补偿-RBF网络PID控制

4．1 控制思想及系统结构

4．2 神经网络概述

4．3 RBF神经网络

4．4 RBF神经网络参数的调整算法

4．5 RBF神经网络PID控制算法

4．6 RBF神经网络PID控制器设计

4．7 RBF神经网络逆控制器设计

4．8 算法步骤

4．9 仿真分析

4．10 本章小结

第5章 磁悬浮轴承系统的自适应模糊滑模控制方法研究

5．1 自适应模糊滑模控制思想

5．2 滑模控制器的设计

5．3 模糊辩识器的设计

5．4 仿真分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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