[发明专利]基于扰动到状态系统响应的磁悬浮系统控制方法

说明书

本发明公开了基于扰动到状态系统响应的磁悬浮系统控制方法，其中，磁悬浮系统包括控制器部分和被控对象；被控对象包括激光位移传感器、功率放大器、电磁铁及小钢球。控制器部分是指利用优化方法直接得到控制信号，其工作原理如下：先通过系统模型、过程噪声扰动的统计特性和系统性能来构造优化问题结构；再处理系统中存在模型误差所导致的问题；最后再构造所需的控制器，实现对系统的控制。本发明针对磁悬浮系统自身的开环不稳定性与系统建模存在误差，通过一个优化控制方法来提高系统的鲁棒性和保证系统的稳定性，同时由于最小化目标函数使磁悬浮控制系统具备控制的灵活性，具有一定的现实意义和理论价值，拓宽了磁悬浮系统的应用领域。

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体涉及一种基于扰动到状态系统响应的磁悬浮系统控制方法。

背景技术

磁悬浮可以描述为铁磁物体在自由空间中由于电磁场的存在而抵抗物体的重力而悬浮。各种现代应用，例如磁悬浮升降机、高速磁悬浮电机和高速磁悬浮列车，都使用此原理。能够消除由于作用在悬浮物体上的机械摩擦力而造成的热损失是其主要优点之一。磁悬浮系统控制是基于悬浮物体在自由空间中的实际和期望位置，通过设计的控制器控制电磁线圈中的电流量，以产生在期望位置悬浮所需的力。

磁悬浮系统具有不稳定、非线性以及会受电磁波动的影响。由于这些非线性的电磁力，使得保证闭环系统的稳定性变得非常困难。而由于磁悬浮系统的广泛应用，制定一个适当的控制策略来控制磁悬浮系统又变得极为重要。PID等经典控制算法通常使用在传统的工程实践中，这类算法具有操作简单且易于实现的优点，但该类方法的缺点是，在要求高可靠性和高精度的实际问题中很难达到理想的控制效果。为了解决经典控制算法的存在的问题，一类像智能控制和非线性控制一样的复杂算法也曾被考虑在磁悬浮系统控制问题当中。这类算法可以很好地解决非线性和模型误差等问题，但由于该算法自身存在较高的复杂性使得它同样很难应用在磁悬浮系统的实际控制问题当中。

发明内容

本发明要解决现有技术的不足，提供一种基于扰动到状态系统响应的磁悬浮系统控制方法，该方法可以提供一种易于实现的控制器来解决存在建模误差和系统噪声扰动的磁悬浮系统控制器。

本发明为解决现有技术问题提供了如下方案：

基于扰动到状态系统响应的磁悬浮系统控制方法，包括如下步骤：

1)在磁悬浮系统中获取所述被控对象的运动微分方程组，对其进行线性化处理；

2)在磁悬浮系统中得到被控对象，利用该对象的系统模型、过程噪声扰动的统计特性和系统性能构造出优化问题结构和控制器实现模型，通过求解优化问题就可以直接通过控制器实现模型来得到保证系统稳定的控制信号。

进一步的，步骤1)中，通过以下步骤获取被控对象的运动方程：

1.1)其中被控对象中磁悬浮系统的运动微分方程组如下：

其中，i为电磁铁的控制电流，d为钢球的位移，m为钢球的质量，g为重力加速度，H为电磁铁中铁芯的导磁截面积，M为电磁铁的线圈匝数，μ₀为空气磁导率，d₀为钢球处于平衡状态时的位移，i₀为钢球处于平衡状态时电磁铁的控制电流，G(i,d)为非线性电磁力，U为电磁铁的电压，R为电磁铁的线圈电阻，L为电磁铁的静态电感；

1.2)由于磁悬浮系统有一定的可控范围，所以可在磁悬浮系统的平衡点d₀附近对其进行线性化处理；通过式(1)，可得被控对象中磁悬浮系统的运动微分方程如下：

其中，

接着，通过式(2)，可以得到被控对象的状态空间方程如下：