一种磁悬浮球位置控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动控制技术领域，特别是一种磁悬浮球位置控制方法。
【背景技术】
[0002] 磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体 的、典型的机电一体化技术。磁悬浮技术因其无接触、无摩擦、低噪声等特点已广泛应用于 磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮电机等工程领域。磁悬浮球系统主要是通过对电磁绕组通 以一定的电流产生电磁力，使其与钢球重力相平衡，使钢球悬浮在空中而处于平衡状态，达 到系统稳定运行的目的。具有单一方向的磁悬浮球系统具有本质的非线性、开环不稳定、 快速响应的特点，易受电源及外界环境的影响，某些参数具有较强的不确定性，无法精确测 量。而且电磁场磁饱和现象使得电磁场中输入电流与磁感应强度、电磁绕组的磁通链之间 不成正比关系，增大了系统的非线性并导致系统的电磁力模型无法用简单的数学方程表 达；同时，处于电磁场中的钢球产生电涡流，将反过来影响电磁绕组的电感，使得电磁绕组 的电感不为常数，而是关于钢球到电磁铁磁极表面的气隙g的函数，而且与其成非线性关 系。因此，建立磁悬浮球系统的精确物理模型是非常困难的，这是磁悬浮球系统实现稳定控 制的难点所在。
[0003] PID控制结构简单，可以调节输入电流/电压使钢球悬浮，不需建立磁悬浮系统的 物理模型，但控制参数需要人工整定，自适应性较差，对非线性磁悬浮系统的有效控制范围 较小，尤其当钢球位置变化快速时超调较大，钢球抖动较大。用模糊推理自动调节PID的控 制参数，可以提高参数随钢球与电磁铁间气隙变化而变化的能力。但该方法依赖于模糊规 则库，它的建立受制于设计者的经验。另一方面，通过分析磁悬浮系统工作原理，在一些假 设条件的基础上，建立物理模型，然后可对钢球实施自适应控制、滑膜控制、预测控制等。这 些方法实现的最大难点在于较难获得能准确描述磁悬浮系统动态特性的精确物理模型，因 为，某些假设条件难以在工程应用中得到满足。此外，利用线性化技术对物理模型进行线性 化处理，然后设计线性控制策略，能加快在线控制优化速度，但损失了系统非线性特性，弱 化了模型对磁悬浮系统的描述能力，从而降低了控制效果。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种磁悬浮球位置控制 方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种磁悬浮球位置控制方法， 适用于上下移动的单自由度磁悬浮球系统，所述单自由度磁悬浮球系统包括产生电磁场的 线圈绕组和检测钢球位置的光电传感器；所述电磁绕组输入电压由控制器控制驱动电路给 出；所述光电传感器采集的钢球位置信号通过数据采集卡传送给控制计算机。对磁悬浮球 系统建立自回归模型：
【主权项】
1. 一种磁悬浮球位置控制方法，其特征在于，包括w下步骤： 1) 对磁悬浮球系统建立自回归模型：
其中，g(t)为t时刻磁悬浮球的位置；u(t)为电磁绕组输入电压a(t)为白噪声；
;v°、和叮为RBF网络的权系数，是钢球位置 的一次线性函数；c〇°、端、与,。、V；；、喘、V;,。、片、v5、为常数系数，通过SNPOM优化 方法辨识；g(t-l)为t-1时刻磁悬浮球的位置； 2) 基于所述自回归模型设计预测控制器，优化下列二次规划函数J获得最优控制量， 控制磁悬浮球的位置g(t):
其中，表= …了，gr(t+ ：L)为t时刻给定的 1 步向前 参考位置，1 = 1,2,…，12;u(/.) = [M(y)M(' +i) M(y+ 3)]'，u(t+p)为t时 刻要优化的电磁绕组输入电压，仅取第一项U(t)作用于被控磁悬浮球，p= 0, 1，2, 3 ;A扫(0 = [Aw(0Az啦 +l)A"(/ + リAリ(Y+ ：3)]'，Au(1：)=u(t)-u(t-l)为输入电压增量； g(〇 =CA,x(〇 +CB,u(〇 +Cr,?, .马、C和 为系统预测系数 矩阵
为状态向量；交,=[和斬1 ...护…了，
4。、衫和拷为自回归模型的回归函数系数，姨'=0;I为单位矩阵。 2.根据权利要求1所述的磁悬浮球位置控制方法，其特征在于，
【专利摘要】本发明公开了一种磁悬浮球位置控制方法，针对磁悬浮球系统难以建立精确物理模型的缺点，采用系统辨识方法建立带函数权系数型自回归模型来描述电磁绕组输入电压与钢球位置间的非线性动态特性。该模型用钢球位置的一次线性函数作为高斯RBF网络的权系数，并用该RBF网络作为非线性自回归模型的函数型系数，使该模型能较好地刻画磁悬浮球系统的动态特性。该模型在某一时刻回归系数为常数，类似于一个线性ARX模型。基于此，本发明设计一个时变的、局部线性的预测控制器，通过在各时刻在线求解二次规划来快速实现钢球的最优位置控制，满足磁悬浮球系统稳定、快速的要求。
【IPC分类】G05D3-12
【公开号】CN104793645
【申请号】CN201510180614
【发明人】彭辉, 覃业梅, 阮文杰, 高家成
【申请人】中南大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月16日