磁悬浮球控制系统的滑模变结构控制设计——开题报告

毕业设计开题报告题 目： 磁悬浮球控制系统的滑模变结构控制设计 学生姓名： 学 号： xxxxxxxxxx专 业： 测控技术与仪器 指导教师： xxxxxxxxxxx 年 月 日毕业设计开题报告1文献综述1.1 本课题的目的和意义 磁悬浮作为一种高新技术,已广泛应用于交通、国防、工业等领域,例如磁悬浮列车、磁悬浮天平、磁悬浮轴承、磁悬浮导轨和半导体工业中的芯片传送系统等1。目前,磁悬浮技术仍然是世界各国的研究热点。其基本原理就是利用电磁力来平衡被控对象的重力,使被控对象稳定悬浮在固定的位置。磁悬浮系统具有控制精度高、非接触、消耗能量少等优点,在能源紧张的今天,研究磁悬浮系统具有重要的意义。作为目前比较成熟的悬浮技术，人们通常把其分为主动磁悬浮技术、被动磁悬浮技术与混合磁悬浮技术三种不同的方式；另外根据应用的差异，又把其分为了电磁铁吸引型磁悬浮、永磁铁排斥型磁悬浮和感应斥力磁悬浮三种不同的方式3 。由于磁悬浮技术从根本上改变了传统的支撑模式，具有传统技术无法比拟的优越性，所以其研究和开发都处于快速发展之中。 目前国内外研究的热点主要是磁悬浮列车及磁悬浮轴承,由于悬浮体与支撑体之间无接触,使得磁悬浮技术的应用具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无须润滑等优点,因此磁悬浮技术具有广阔的应用前景。世界各国都在加大对磁悬浮技术的研究力度,并已成功地将其运用到航空航天、人造心脏、磁悬浮风洞以及飞轮储能等场合。磁悬浮技术的显著优点令人振奋,但是在设计过程中,无论是磁悬浮列车还是磁悬浮轴承,其中都有复杂的非线性和强祸合特性,使得实际控制难度加大,这也是把磁悬浮技术推向市场中所必须解决的难题之一。因此无论在理论还是应用中,对磁悬浮技术的研究都具有十分重要的意义。1.2 国内外发展情况通过使用某种方法，使得物体处于悬浮状态，曾经是人类难以实现的梦想。人们起初试图利用永磁性材料的磁力，使物体稳定悬浮。但这一方法却并未获得成功。在十九世纪四十年代，英国科学家 Earnshow 教授首先提出磁悬浮这一概念，并从理论上证明了仅仅依靠永久磁性材料，是不足以使物体保持稳定悬浮的4-6。为了使磁力可用于稳定悬浮，必须根据被悬浮对象的状态而不断调整磁场，这可以通过可控的电磁铁来实现，这个思想由德国人赫尔曼肯佩尔，于 1934 年提出，并且申请了磁悬浮列车的专利。二十世纪五十年代，法国的 Hispano-Suiza 公司首先主动式磁悬浮系统的设想，这个系统利用电磁铁以及电感传感器构成。这被视为现代磁悬浮技术的起点。 二十世纪六十年代，出现了最早出现关于磁悬浮列车的研究。二十世纪七十年代以后，随着世界各国工业水平、经济实力的不断增强，以及对磁悬浮列车前景的看好，许多发达国家陆续开始筹划磁悬浮运输系统的开发。随着科学技术的不断发展，在巨大的控制装置越来越紧凑，这为磁悬浮列车技术提供了实现的条件。1969 年，一款时速为 165km 的磁悬浮列车模型研制成功，这对与磁悬浮技术的发展具有里程碑式的意义。德国、日本两国，在磁悬浮列车技术处于世界顶尖的地位。 日本的悬浮式磁悬浮列车于 1994 年创造了时速 431 公里的记录。超导型磁悬浮列车更是创造时速为 562 公里的记录。德国在这几十年间的研究，也使磁悬浮列车在技术上日趋成熟。目前，其磁悬浮列车的技术水平已经达到可以投入运营的状态7 8。在经历了近六十年的发展，已经使磁悬浮技术在多个方面完成了技术突破，将磁悬浮技术运用于实际的产品也层出不穷。其中，除了磁悬浮列车之外，最具有代表性的非磁悬浮轴承莫属。1988 年，第一届国际磁悬浮轴承会议召开，这次会议对与磁悬浮技术的前景、技术难点等方面都进行了讨论，发表了许多优秀的研究性论文。此后，这个会议的召开周期规定为两年9-13 。这一系列的研究工作，促进了磁悬浮技术应用于工业。近年来，随着材料学的进步，更多磁性材料不断被研制出来，这也从某个方面推动了磁悬浮技术的进步。比如说，人们可以使用斥力来实现磁悬浮系统的稳定。 用于磁悬浮系统中的功率放大器也随着磁悬浮技术的进步而不断得到发展。起初，用于磁悬浮系统功率放大器以传统的线性功率放大器为主，它具有结构简单、稳定性好、跟踪特性好等优点，缺点是动态性能差，功率损耗高。因此，它适用于小功率的磁悬浮系统。随着磁悬浮技术在实际中的应用越来越广，对于系统响应速度、效率的要求也就随之提高，在这种情况下，开关型功率放大器被研制出来。开关功放的使用，使磁悬浮技术提升了一个很大的台阶，它不仅使系统的动态特性得到了大大改善，而且降低了磁悬浮系统的功率损耗，提高了效率。但开关型功放并不完美，由于其自身工作原理所致，工作时电流波纹大，容易产生失真。而且开关型功率放大器结构比较复杂，占用空间大，在磁悬浮系统小型化的发展趋势下，集成功率放大器出现了。集成功率放大器具有体积小、运行稳定、可靠性高的优点14-16。我国的磁悬浮技术相对国外起步较晚，上世纪八十年代，开始对磁悬浮轴承进行研究，在这三十多年的发展中，我国在磁悬浮领域得了不少优秀成果。其中，西安交大润滑理论及轴承研究所完成了对磁悬浮轴承中电磁铁的优化设计、数字控制器的设计以及功率放大器研究；南京大学航空航天大学，在永磁偏置的轴承领域具有很深造诣；哈工大研究了机床主轴承磁悬的支撑装置；磁悬浮列车也为磁悬浮技术的一个很有前景的研究方向，国防科技大学在这个领域取得了丰硕的成果。此外，清华大学、上海大学等国内高等院校也为磁悬浮技术作出了不同的贡献17 18。在功率放大器的研究方面，北京工业大学对采样保持型开关功放做过研究探讨。目前，在磁悬浮系统中应用比较多的功率放大器为开关型功放。而三电平开关功放于2002 年被首次应用于磁悬浮轴承；通过使用复杂可编程逻辑器件，北京航空航天大学设计成功了双向数字功率放大器，并投入使用。除此之外，河北工业大学等国内高校对数字功率放大器做了一系列的研究工作19-23。参考文献1 解旭辉,戴一帆,等.大间隙下的磁悬浮测控系统设计与研究J.仪器仪表学报,2004,25(2).2 孙小川.磁悬浮地球仪控制装置研究：(硕士学位论文).武汉：华中科技大学，2008. 3 王娜.基于 RTLinux 的磁悬浮球控制系统研究：(硕士学位论文).南京：南京航空航天大学，2008.4 洋文凭，陈国定，张永红电磁轴承控制系统的研究与探讨J应用科学学报，1997，2(2)：28 5 张钢，曹广忠，虞烈电磁轴承的工业应用J设计轴承，1998(6)：26 6 张士勇磁悬浮技术的应用现状与展望J工业仪表与自动化装置，2003(2)：6365 7 李慧敏，汪希萱磁悬浮轴承的研究现状和发展趋势J轴承，2003(23)：5052 8 Schweiter G, Bleuler H, Traxler A. Active Magnetic BearingsJ. Basics, Properties and Applications of Active Magnetic Bearings, ETH, Switzerland, 1994(5):121-125. 9 臧小敏磁轴承开关型功率放大器的研究D南京：南京航空航天大学，2004 10 Perry T, Seth R S, Gabriel R. A self-Sensing homopolar bearingsJ. Analysis and Experimental Results. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1999, 38(3):142-146. 11 张占军，林小玲磁悬浮球系统控制器的分析设计J机电工程，2007，27(1)：23 12 李敏花，刘淑琴磁悬浮轴承的模糊PID控制控制工程J，2004，12(5)：14 13 Fukata S, Yutani K. Characteristics of electromagnetic systems of magnetic bearings biased with permanent magnetsC. Proc. 5th Int. Symp. Magnetic bearings, Massachusetts Institute of Technology Cambridge, Massachusetts, USA, 1998: 234-243. 14 虞烈，刘恒轴承-转子系统动力学M西安：西安交通大学出版社，2003 15 周锐，房建成，祝世平悬浮支撑系统的建模与控制J北京航空航天大学学报，1996，2(1)：14-18 16 郭永环，范希营，磁悬浮轴承控制系统的研究J煤矿机械，2006 (8)：119-121 17 施阳，严为生主动磁悬浮轴承的神经网络PID控制研究J机械科学与技术，1998，17(2)：337338 18 陈力群，张钢，谢友柏电磁轴承系统中的功率放大器J西北工业学院学报，1998(6)：222619 童诗白模拟电子技术基础M北京：高等教育出版社，1988 20 Franco M. A modified class amplifier for active magnetic bearingJ. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 16(10):321-324.21 夏彬彬，任明全，屈金学PIC单片机常用模块与综合系统设计M北京：电子工业出版，2004 22 陈国先PIC单片机原理与接口技术M北京：电子工业出版社，2004 23 Carabelli S，Maddaleno F, Muzzarelli M. High-efficiency linear power amplifier for active magnetic bearingsJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2000, 47(1):17-24.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径2.1课题要求磁悬浮系统是一个复杂的非线性、开环不稳定系统，其研究涉及控制理论、电磁理论、电力电子技术以及计算机科学等众多领域。而其中控制器性能的好坏直接影响磁悬浮技术的应用和发展。所以，本课题目前需要解决的问题主要是对控制器的设计。本课题要求熟悉磁悬浮球系统的基本结构和工作原理，尤其要了解磁悬浮球系统的控制要求；依据其基本原理建立相应数学模型，并设计控制器，实现磁悬浮球系统的稳定功能，并根据Lyapunov稳定性理论，验证误差系统的稳定性，确定系统全局一致最终有界稳定。2.2 拟采用的研究手段及途径 虽然悬磁浮系统因其独特的优势广泛应用于经济的各个领域，但该系统本质上是不稳定的，非线性的控制系统，采用一般的线性控制方法无法从根本上解决磁悬浮系统的控制问题。因此，在系统的控制策略上，需要引用具有良好鲁棒性的非线性控制方法，其中以滑模变结构控制方法最为普遍且适用。具体的研究途径如下：1、 首先，需要仔细分析了解磁悬浮球系统的工作原理2、 在研究其工作原理的基础上推导该系统的数学模型，包括在平衡点展开的线性模型和接近实际情况的非线性模型3、 然后介绍滑模变结构控制算法的基本原理及特点4、 研究设计步骤，将数学模型与控制器两者完美结合，设计出最佳的磁悬浮球系统的滑模控制器5、 其次，针对滑模控制中出现的“抖振”问题将饱和函数与滑模控制相结合，凸显轨迹的平滑曲线6、利用MATLAB仿真，结果显示，与普通滑模控制和传统的PID控制相比该控制器能能有效地削弱“抖振”同时又有较高的实时性 8 毕业设计开题报告指导教师意见：从文献综述的内容可以看出，该生以毕业设计课题为中心查阅了相关的基本资料，掌握了相关的基本知识。且课题研究的主要方向和内容明确，研究的方法及措施基本可