高精度主动磁浮寻北系统多目标控制与设计

发布时间：2017-12-29 03:05

本文关键词：高精度主动磁浮寻北系统多目标控制与设计　出处：《哈尔滨工业大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：寻北仪是一种自主式的方位指示仪器,它采用惯性原理,工作时不依赖外界信息,能在全天候的条件下快速精确的测定真北方向,在国防领域和民用领域有着广泛的应用。寻北仪的寻北精度很大程度上取决于其采用的陀螺精度。针对单自由度陀螺罗盘寻北系统具有结构简单、寻北快速等特点,但又存在支撑摩擦或悬挂力矩难以消除问题,本文研究并开发一种高精度磁浮寻北仪,即采用主动磁浮支撑系统将单自由度陀螺框架无接触的悬浮起来,彻底消除了支撑系的摩擦与力矩干扰,以获得得到更高的寻北精度,同时提高定向速度。在单自由度陀螺罗盘寻北系统中应用主动磁浮控制技术,属于国内首创,国际上尚未见到相关研究报告。同时,由于主动磁浮系统是一个强非线性,分布参数对象,系统模型难以精确建立,控制器设计又要求满足多种性能指标约束,本文采用参数依赖Lyapunov稳定理论及线性矩阵不等式方法,研究了不确定系统多目标优化理论与多约束下的控制器的设计与优化问题,并在磁浮控制系统中得到了应用验证。本文的主要研究工作如下:首先,在寻北系统研究方面,研究磁浮寻北仪的寻北原理与各种寻北方案,从寻北精度、寻北快速性、可行性、易实现性等多个方面加以考虑,研究并论证了高精度磁浮寻北仪采用单自由度陀螺罗盘寻北方案是实现高精度快速寻北的理想方案,并依此设计了高精度磁浮寻北仪的机械机构。对理想情况下的单自由度陀螺罗盘的运动规律进行研究,继而给出了误差分析结果。考虑到磁浮轴承是一种弹性约束,陀螺罗盘的实际运动会与理想情况下的有所不同。文中给出了电磁轴承约束的单自由度陀螺罗盘寻北仪的结构模型,研究陀螺框架轴在弹性约束下偏离铅垂方向对寻北精度及定向时间的影响。其次,在磁浮控制建模方面,分析了磁浮寻北系统的总体机械机构与磁浮系统的基本原理,详细研究了磁浮轴承的径向结构设计与轴向结构设计,对磁浮轴承进行了详细的数学建模,包括单自由度模型与五自由度模型。再次,在磁浮控制理论的研究方面,主要进行了两个方面的研究,一是研究了在参数依赖Lyapunov稳定条件及性能准则条件下的混合H2/H∞状态反馈控制问题;二是研究了存在的参数不确定系统的鲁棒稳定、抗干扰性能以及能量消耗等多目标约束下的控制器的设计与优化问题,包括鲁棒保性能最优输出反馈控制器的设计、四自由度磁浮系统H∞输出反馈控制器的设计以及基于动态补偿器的多目标鲁棒控制器设计。并给出了相应的算例与仿真结果。最后,在磁浮控制系统实现方面,完成了控制系统总体方案的设计,开发了磁浮寻北仪原理样机的控制柜,设计完成了位移传感器的测量与转换电路、DSP数字控制器、功率放大电路、人机接口电路等关键子系统,进行了五自由度磁浮系统调试与分析。实验和调试结果表明所设计的控制系统满足磁浮控制的要求,设计的控制算法可以实现单自由度陀螺框架稳定悬浮。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH76

【参考文献】