磁悬浮球系统控制算法的研究

发布时间：2017-08-11 19:10

  本文关键词：磁悬浮球系统控制算法的研究

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【摘要】：磁悬浮技术是磁悬浮列车、磁悬浮高速电机等应用领域的关键,磁悬浮控制技术作为磁悬浮技术的核心受到了人们的广泛关注。磁悬浮控制器开发难度大的原因在于磁悬浮系统本身的不确定性。因此,设计-个品质优良的控制器需要一个精度高的磁悬浮系统作为保障。磁悬浮球系统凭借实时控制要求度高的特点,成为了各种控制算法实施、检验的对象。本文以磁悬浮球控制系统为研究对象,寻求更高精度的控制算法以及更具针对性的控制性能评价方式。首先在磁悬浮球系统特性、构成以及工作原理等相关知识充分了解的基础之上,利用力学、电磁学等知识建立了系统的非线性数学建模及线性化后的模型,并借助MATLAB工具分析系统的可控性、可观性、稳定性。基于PID算法的磁悬浮球控制系统并不具备优质的动态性能,为了解决这个问题,将动态性能较高的模糊控制算法与其结合,构建了模糊PID控制器。接着以模糊PID控制的机理为着手点,剖析控制中出现的问题,并提出了三种改善手段,利用其中一种改善方式即模糊变量论域范围的优化引出了变论域自适应模糊PID控制器。随后进行仿真验证,结果说明通过模糊变量论域范围的优化使控制系统的动静态性能更高,为后续的实时控制提供了理论依据。针对在不同类别信号输入的情况下,控制参数优化满意度量化程度低、控制系统性能评价指标缺乏针对性的问题,提出了一种新的控制算法即多类别满意优化控制算法,该算法采用基于遗传算法的PID控制器,得到全局中的最满意解。该算法将控制系统的待优化变量设定为Kp,Ki,Kd,分别在阶跃、正弦、方波、锯齿以及随机信号的输入下,通过预设的性能评价指标和满意度函数进行分类评价,最终得出满意的优化结果,并利用仿真进行了验证。最后针对设计控制器的有效性,利用磁悬浮球控制系统实时控制平台,对两种算法进行验证。基于变论域自适应模糊PID控制算法的实验结果表明该方法可以获取到常规控制算法难以达到的效果,同时给出了量化后的性能评价指标；基于多类别满意优化控制算法的实验结果表明遗传算法PID控制在针对无突变类的跟踪信号时控制器跟踪效果相对较好,针对突变类的跟踪信号时控制器跟踪效果相对较差,同时给出了不同类别信号对应的类别的评价性能指标集和相应指标集中每个指标的满意度。通过对应指标数据的直观显示,磁悬浮球控制系统的控制性能的评价情况变得更加的直接化、体系化。
【关键词】：磁悬浮球系统 变论域自适应 多类别 满意优化 性能评价指标
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 磁悬浮技术概述11-12
• 1.1.1 磁悬浮技术简介11
• 1.1.2 磁悬浮技术应用现状11-12
• 1.2 磁悬浮球控制系统控制方法研究现状12-14
• 1.3 课题的研究的目的与意义14-15
• 1.4 论文的主要研究内容15-16
• 第二章 磁悬浮球控制系统建模与分析16-26
• 2.1 磁悬浮球系统的构成16
• 2.2 磁悬浮球系统工作原理及特点16-18
• 2.2.1 磁悬浮球系统工作原理16-17
• 2.2.2 磁悬浮球系统特点17-18
• 2.3 磁悬浮球系统数学模型建立18-21
• 2.3.1 动力学方程18-19
• 2.3.2 电磁力学方程19-20
• 2.3.3 电学方程20-21
• 2.3.4 边界方程21
• 2.3.5 非线性化数学模型21
• 2.4 磁悬浮球系统数学模型的线性化21-25
• 2.4.1 模型的线性化22-23
• 2.4.2 线性化模型的实参化23
• 2.4.3 磁悬浮系统的特性分析23-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第三章 磁悬浮球控制系统变论域自适应模糊PID控制器设计26-39
• 3.1 PID控制器设计26-29
• 3.1.1 PID控制的基本原理26-27
• 3.1.2 PID控制器的仿真27-28
• 3.1.3 PID控制器局限性28-29
• 3.2 模糊PID控制器设计29-34
• 3.2.1 模糊PID控制的基本原理29-33
• 3.2.2 模糊PID控制器的仿真33-34
• 3.2.3 模糊PID控制器的局限性及改进34
• 3.3 变论域自适应模糊PID控制器设计34-38
• 3.3.1 变论域自适应模糊PID控制的基本原理35-36
• 3.3.2 变论域自适应模糊PID控制器的仿真36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 磁悬浮球控制系统的多类别满意优化控制器设计39-49
• 4.1 多类别满意优化控制方法介绍39-42
• 4.1.1 多类别满意优化控制原理39-40
• 4.1.2 多类别满意优化控制算法实现40-42
• 4.2 多类别满意优化控制器仿真实现42-48
• 4.2.1 基于多类别满意优化控制的磁悬浮球控制系统仿真43-44
• 4.2.2 基于多类别满意优化控制的磁悬浮球控制系统性能分析44-48
• 4.3 本章小结48-49
• 第五章 磁悬浮球系统的实时控制平台的研究49-57
• 5.1 磁悬浮系统实验平台的搭建49-50
• 5.1.1 硬件平台的搭建49
• 5.1.2 软件平台的搭建49-50
• 5.2 磁悬浮球闭环控制系统实时控制实验50-56
• 5.2.1 基于变论域自适应模糊PID控制的实时系统实验50-52
• 5.2.2 基于多类别满意优化控制的实时系统实验52-56
• 5.3 本章小结56-57
• 总结与展望57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-62
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研情况62

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本文编号：657780