一種磁懸浮系統的滑模變結構控制方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種磁懸浮控制領域，尤其涉及一種磁懸浮系統的滑模變結構控制方 法和裝置。
【背景技術】
[0002] 目前，磁懸浮技術已經應用到很多領域，包括磁懸浮列車，磁懸浮軸承，磁懸浮隔 振系統等領域，且在各個領域中的作用十分突出，比如磁懸浮列車打破了傳統的輪軌式列 車的機制，利用電磁力使得列車懸浮于軌道之上，具有噪聲低、摩擦小、爬坡能力強等優勢； 磁懸浮軸承方面，磁力軸承的轉速已經達到80000轉/分，轉子直徑可達12米，最大承載能力 為10噸，已經廣泛應用于航空、航天、核反應堆等場合;磁懸浮隔振是一種新型的主動式隔 振方法，由于在振源和載荷之間用主動控制的磁場支撐，使得振源和載荷之間完全脫離機 械接觸，在外加主動控制的作用下，磁懸浮隔振的靜態剛度和動態隔振效果可以方便進行 調解。
[0003] 總之，磁懸浮技術在各大領域中都起著相當重要的作用，而在磁懸浮技術中，最核 心的是對磁懸浮系統的電磁鐵模塊施加主動懸浮控制，使得目標物能穩定懸浮。
[0004] -般磁懸浮系統主要由懸浮電磁鐵、控制器、傳感器等組成，如圖1所示，磁懸浮系 統包括電磁鐵1和銜鐵2,所述電磁鐵1安裝在安裝板3上，銜鐵2位于電磁鐵1下方，銜鐵2與 電磁鐵1之間存在間隙。
[0005] 在電磁鐵線圈繞組中通以一定大小的電流會產生電磁力，通過控制這個電流的大 小，使該點負載的重力G與此電磁力Fe平衡。
[0006 ]在磁浮列車、磁浮軸承、磁浮式定位平臺等系統中對其在運行過程中保證系統在 懸浮方向上的穩定懸浮具有很高的要求。
[0007] 而磁懸浮系統在產生垂向運動過程中主要存在以下幾個方面的問題：1)負載擾動 干擾，在磁浮列車系統中，列車的載客負載隨著時間在不斷的改變;在高精密微加工領域， 主要利用精密定位平臺的運動機構承載目標，隨著承載目標的轉換與改變，系統也不斷受 到負載擾動的干擾;故一般的磁懸浮系統在運動過程中，負載的擾動變化對系統來說是一 個較大的外界擾動;2)模型內部參數攝動，在一般的磁懸浮系統在運動過程中，電磁鐵模塊 必然會產生熱量，這些熱量產生會導致模型內部的參數，包括電阻、電感的變化過程，從而 使得模型參數具有不確定性，加之如果模型建立不精確的情況下，這種參數攝動可能引起 系統未建模動態產生作用，進一步影響系統的穩定性與控制精度;3)測量噪聲，在運動平臺 如磁浮列車、精密定位平臺等的運動過程中，系統利用電渦流傳感器實時測量電磁鐵與目 標位置之間的懸浮高度作為反饋量，在傳感器工作過程中，不可避免會存在測量噪聲的干 擾，當系統運行環境變化時，這種測量噪聲對控制精度的影響是較大的。
[0008] 因此，如何才能在存在磁懸浮系統內部參數改變、外界干擾和內部擾動時，磁懸浮 系統仍能夠實現正常穩定懸浮，具有較強的魯棒干擾能力，成為本領域技術人員亟需解決 的問題。

【發明內容】

[0009] 本發明的目的是提供一種磁懸浮系統的滑模變結構控制方法和裝置，其能夠在存 在磁懸浮系統內部參數改變、外界干擾和內部擾動時，磁懸浮系統仍能夠實現正常穩定懸 浮，具有較強的魯棒干擾能力。
[0010] 為解決上述技術問題，本發明提供一種磁懸浮系統的滑模變結構控制方法，所述 方法包括以下步驟： 步驟1:搭建磁懸浮系統的等效電磁鐵模型為三階非線性模型； 步驟2:針對三階非線性模型引入電流環，在使電磁鐵的電流能夠滿足響應時間要求， 同時將系統降為二階非線性模型； 步驟3:獲取磁懸浮系統的狀態，針對二階非線性模型，引入基于跟蹤微分器的滑模變 結構控制，即根據系統狀態位于開關曲線的不同位置采取不同的控制量； 步驟4:調節確定控制量的跟蹤微分器的參數使系統狀態收斂到期望的系統狀態。
[0011] 優選的，將步驟2中所述二階非線性模型定義為公式(1):
(1) 其中，Χ#ΡΧ2組成相平面，相平面上的任意點為M(xi，x2)，h為離散步長，r為u(k)的選取 范圍。
[0012] 優選的，將步驟3中開關曲線定義為公式(2):
(2) 將近似線性跟蹤微分器定義為公式(3):
其中，《為控制量，(1，&0，&，5^&，7,2都是中間變量無具體的含義。
[0013] 優選的，所述將二階非線性模型根據系統狀態位于開關曲線的不同位置采取不同 的近似線性跟蹤微分器的控制量具體為： 當系統狀態在相平面上的點M(X1，X2)落在兩步可達區內，選取兩步可達控制量定義為 公式(4): U = -zi；0 (4) 若系統狀態點在相平面上的點M(X1，X2)落在兩步可達外的點，選取變號控制量定 義為公式(5): ω： = -r Sghifl) (5) 優選的，所述步驟4中，調節的參數為快速因子C1和濾波因子c2。
[0014] 本發明還提供了一種磁懸浮系統的滑模變結構控制裝置，包括模型搭建模塊，電 流環模塊、處理模塊和參數調節模塊，其中： 模型搭建模塊，用于搭建磁懸浮系統的等效電磁鐵模型為三階非線性模型； 電流環模塊，用于針對將模型搭建模塊生成的三階非線性模型引入電流環，在使電磁 鐵的電流能夠滿足響應時間要求，同時將系統降為二階非線性模型； 處理模塊，用于獲取磁懸浮系統的狀態，針對二階非線性模型，引入基于跟蹤微分器的 滑模變結構控制，即根據系統狀態位于開關曲線的不同位置采取不同的控制量； 參數調節模塊，用于調節處理模塊中確定控制量的跟蹤微分器的參數使系統狀態收斂 到期望的系統狀態。
[0015] 優選的，將電流環模塊中所述二階非線性模型定義為公式(1):
(1) 其中，Χ#ΡΧ2組成相平面，相平面上的任意點為M(xi，x2)，h為離散步長，r為u(k)的選取 范圍。
[0016] 優選的，將處理模塊中開關曲線定義為公式(2):
(2) 將近似線性跟蹤微分器定義為公式(3):
其中，《為控制量，(1，&〇，&，3^32,7,2都是中間變量無具體的含義。
[0017]優選的，所述將二階非線性模型根據系統狀態位于開關曲線的不同位置采取不同 的近似線性跟蹤微分器的控制量具體為： 當系統狀態在相平面上的點M(X1，X2)落在兩步可達區內，選取兩步可達控制量定義為 公式(4):
(4) 若系統狀態點在相平面上的點M(X1，X2)落在兩步可達外的點，選取變號控制量定 義為公式(5): (5) 優選的，所述參數調節模塊中調節的參數為快速因子C1和濾波因子C2。
[0018] 本發明提供的一種磁懸浮系統的滑模變結構控制方法和裝置便于工程實現，且能 夠根據系統狀態所處的位置不同，切換選取不同控制量，使磁懸浮系統在內部參數改變、外 界干擾和內部擾動時，磁懸浮系統仍能夠實現正常穩定懸浮，具有較強的魯棒干擾能力。
【附圖說明】
[0019] 圖1懸浮系統等效的電磁鐵模型示意圖； 圖2為本發明提供的一種磁懸浮系統的滑模變結構控制方法的流程圖； 圖3a是存在間隙干擾時本發明提供的控制方法應用于控制對象之后的效果圖； 圖3b是存在間隙干擾時現有的PID控制方法應用于該系統后的效果圖； 圖4a是存在負載干擾時本發明控制控制方法應用于控制對象之后的效果圖； 圖4b是存在負載干擾時現有的PID控制方法應用于該系統后的效果圖； 圖5a為三種跟蹤微分器跟蹤信號性能對比圖； 圖5b為三種跟蹤微分器微分信號提取能力對比圖； 圖6為本發明提供的一種磁懸浮系統的滑模變結構控制裝置結構框圖。
【具體實施方式】
[0020] 為了使本技術領域的人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明 作進一步的詳細說明。
[0021] 參見圖2,圖2為本發明提供的一種磁懸浮系統的滑模變結構控制方法的流程圖。 [0022] 一種磁懸浮系統的滑模變結構控制方法，所述方法包括以下步驟： 步驟1:搭建磁懸浮系統的等效電磁鐵模型為三階非線性模型。
[0023] 磁懸浮系統一般磁懸浮系統主要由懸浮電磁鐵、控制器、傳感器等組成，故一般將 磁懸浮系統等效為電磁鐵模型，而后搭建磁懸浮系統的電磁鐵模型為三階非線性模型 步驟2:針對三階非線性模型引入電流環，在使電磁鐵的電流能夠滿足響應時間要求， 同時將系統降為二階非線性模型； 針對三階非線性模型引入電流環，即對電磁鐵線圈利用周期性方波給出一個對應的電 壓控制量，此時可以檢測出電磁鐵線圈中的電流上升時間，并將電流上升時間反饋調節方 波的周期，使電流上升的時間在規定的時間之內。
[0024] 使電磁鐵的電流能夠快速響應控制電壓的變化，減少系統的遲滯，同時達到將三 階非線性模型降為二階非線性模型的目的。
[0025] 優選的，調節參數為kcl、kc2，其中kcl=20，k