一种磁悬浮系统的滑模变结构控制方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磁悬浮控制领域，尤其涉及一种磁悬浮系统的滑模变结构控制方 法和装置。
【背景技术】
[0002] 目前，磁悬浮技术已经应用到很多领域，包括磁悬浮列车，磁悬浮轴承，磁悬浮隔 振系统等领域，且在各个领域中的作用十分突出，比如磁悬浮列车打破了传统的轮轨式列 车的机制，利用电磁力使得列车悬浮于轨道之上，具有噪声低、摩擦小、爬坡能力强等优势； 磁悬浮轴承方面，磁力轴承的转速已经达到80000转/分，转子直径可达12米，最大承载能力 为10吨，已经广泛应用于航空、航天、核反应堆等场合;磁悬浮隔振是一种新型的主动式隔 振方法，由于在振源和载荷之间用主动控制的磁场支撑，使得振源和载荷之间完全脱离机 械接触，在外加主动控制的作用下，磁悬浮隔振的静态刚度和动态隔振效果可以方便进行 调解。
[0003] 总之，磁悬浮技术在各大领域中都起着相当重要的作用，而在磁悬浮技术中，最核 心的是对磁悬浮系统的电磁铁模块施加主动悬浮控制，使得目标物能稳定悬浮。
[0004] -般磁悬浮系统主要由悬浮电磁铁、控制器、传感器等组成，如图1所示，磁悬浮系 统包括电磁铁1和衔铁2,所述电磁铁1安装在安装板3上，衔铁2位于电磁铁1下方，衔铁2与 电磁铁1之间存在间隙。
[0005] 在电磁铁线圈绕组中通以一定大小的电流会产生电磁力，通过控制这个电流的大 小，使该点负载的重力G与此电磁力Fe平衡。
[0006 ]在磁浮列车、磁浮轴承、磁浮式定位平台等系统中对其在运行过程中保证系统在 悬浮方向上的稳定悬浮具有很高的要求。
[0007] 而磁悬浮系统在产生垂向运动过程中主要存在以下几个方面的问题：1)负载扰动 干扰，在磁浮列车系统中，列车的载客负载随着时间在不断的改变;在高精密微加工领域， 主要利用精密定位平台的运动机构承载目标，随着承载目标的转换与改变，系统也不断受 到负载扰动的干扰;故一般的磁悬浮系统在运动过程中，负载的扰动变化对系统来说是一 个较大的外界扰动;2)模型内部参数摄动，在一般的磁悬浮系统在运动过程中，电磁铁模块 必然会产生热量，这些热量产生会导致模型内部的参数，包括电阻、电感的变化过程，从而 使得模型参数具有不确定性，加之如果模型建立不精确的情况下，这种参数摄动可能引起 系统未建模动态产生作用，进一步影响系统的稳定性与控制精度;3)测量噪声，在运动平台 如磁浮列车、精密定位平台等的运动过程中，系统利用电涡流传感器实时测量电磁铁与目 标位置之间的悬浮高度作为反馈量，在传感器工作过程中，不可避免会存在测量噪声的干 扰，当系统运行环境变化时，这种测量噪声对控制精度的影响是较大的。
[0008] 因此，如何才能在存在磁悬浮系统内部参数改变、外界干扰和内部扰动时，磁悬浮 系统仍能够实现正常稳定悬浮，具有较强的鲁棒干扰能力，成为本领域技术人员亟需解决 的问题。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种磁悬浮系统的滑模变结构控制方法和装置，其能够在存 在磁悬浮系统内部参数改变、外界干扰和内部扰动时，磁悬浮系统仍能够实现正常稳定悬 浮，具有较强的鲁棒干扰能力。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明提供一种磁悬浮系统的滑模变结构控制方法，所述 方法包括以下步骤： 步骤1:搭建磁悬浮系统的等效电磁铁模型为三阶非线性模型； 步骤2:针对三阶非线性模型引入电流环，在使电磁铁的电流能够满足响应时间要求， 同时将系统降为二阶非线性模型； 步骤3:获取磁悬浮系统的状态，针对二阶非线性模型，引入基于跟踪微分器的滑模变 结构控制，即根据系统状态位于开关曲线的不同位置采取不同的控制量； 步骤4:调节确定控制量的跟踪微分器的参数使系统状态收敛到期望的系统状态。
[0011] 优选的，将步骤2中所述二阶非线性模型定义为公式(1):
(1) 其中，Χ#ΡΧ2组成相平面，相平面上的任意点为M(xi，x2)，h为离散步长，r为u(k)的选取 范围。
[0012] 优选的，将步骤3中开关曲线定义为公式(2):
(2) 将近似线性跟踪微分器定义为公式(3):
其中，《为控制量，(1，&0，&，5^&，7,2都是中间变量无具体的含义。
[0013] 优选的，所述将二阶非线性模型根据系统状态位于开关曲线的不同位置采取不同 的近似线性跟踪微分器的控制量具体为： 当系统状态在相平面上的点M(X1，X2)落在两步可达区内，选取两步可达控制量定义为 公式(4): U = -zi；0 (4) 若系统状态点在相平面上的点M(X1，X2)落在两步可达外的点，选取变号控制量定 义为公式(5): ω： = -r Sghifl) (5) 优选的，所述步骤4中，调节的参数为快速因子C1和滤波因子c2。
[0014] 本发明还提供了一种磁悬浮系统的滑模变结构控制装置，包括模型搭建模块，电 流环模块、处理模块和参数调节模块，其中： 模型搭建模块，用于搭建磁悬浮系统的等效电磁铁模型为三阶非线性模型； 电流环模块，用于针对将模型搭建模块生成的三阶非线性模型引入电流环，在使电磁 铁的电流能够满足响应时间要求，同时将系统降为二阶非线性模型； 处理模块，用于获取磁悬浮系统的状态，针对二阶非线性模型，引入基于跟踪微分器的 滑模变结构控制，即根据系统状态位于开关曲线的不同位置采取不同的控制量； 参数调节模块，用于调节处理模块中确定控制量的跟踪微分器的参数使系统状态收敛 到期望的系统状态。
[0015] 优选的，将电流环模块中所述二阶非线性模型定义为公式(1):
(1) 其中，Χ#ΡΧ2组成相平面，相平面上的任意点为M(xi，x2)，h为离散步长，r为u(k)的选取 范围。
[0016] 优选的，将处理模块中开关曲线定义为公式(2):
(2) 将近似线性跟踪微分器定义为公式(3):
其中，《为控制量，(1，&〇，&，3^32,7,2都是中间变量无具体的含义。
[0017]优选的，所述将二阶非线性模型根据系统状态位于开关曲线的不同位置采取不同 的近似线性跟踪微分器的控制量具体为： 当系统状态在相平面上的点M(X1，X2)落在两步可达区内，选取两步可达控制量定义为 公式(4):
(4) 若系统状态点在相平面上的点M(X1，X2)落在两步可达外的点，选取变号控制量定 义为公式(5): (5) 优选的，所述参数调节模块中调节的参数为快速因子C1和滤波因子C2。
[0018] 本发明提供的一种磁悬浮系统的滑模变结构控制方法和装置便于工程实现，且能 够根据系统状态所处的位置不同，切换选取不同控制量，使磁悬浮系统在内部参数改变、外 界干扰和内部扰动时，磁悬浮系统仍能够实现正常稳定悬浮，具有较强的鲁棒干扰能力。
【附图说明】
[0019] 图1悬浮系统等效的电磁铁模型示意图； 图2为本发明提供的一种磁悬浮系统的滑模变结构控制方法的流程图； 图3a是存在间隙干扰时本发明提供的控制方法应用于控制对象之后的效果图； 图3b是存在间隙干扰时现有的PID控制方法应用于该系统后的效果图； 图4a是存在负载干扰时本发明控制控制方法应用于控制对象之后的效果图； 图4b是存在负载干扰时现有的PID控制方法应用于该系统后的效果图； 图5a为三种跟踪微分器跟踪信号性能对比图； 图5b为三种跟踪微分器微分信号提取能力对比图； 图6为本发明提供的一种磁悬浮系统的滑模变结构控制装置结构框图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明 作进一步的详细说明。
[0021] 参见图2,图2为本发明提供的一种磁悬浮系统的滑模变结构控制方法的流程图。 [0022] 一种磁悬浮系统的滑模变结构控制方法，所述方法包括以下步骤： 步骤1:搭建磁悬浮系统的等效电磁铁模型为三阶非线性模型。
[0023] 磁悬浮系统一般磁悬浮系统主要由悬浮电磁铁、控制器、传感器等组成，故一般将 磁悬浮系统等效为电磁铁模型，而后搭建磁悬浮系统的电磁铁模型为三阶非线性模型 步骤2:针对三阶非线性模型引入电流环，在使电磁铁的电流能够满足响应时间要求， 同时将系统降为二阶非线性模型； 针对三阶非线性模型引入电流环，即对电磁铁线圈利用周期性方波给出一个对应的电 压控制量，此时可以检测出电磁铁线圈中的电流上升时间，并将电流上升时间反馈调节方 波的周期，使电流上升的时间在规定的时间之内。
[0024] 使电磁铁的电流能够快速响应控制电压的变化，减少系统的迟滞，同时达到将三 阶非线性模型降为二阶非线性模型的目的。
[0025] 优选的，调节参数为kcl、kc2，其中kcl=20，k