锥形滚柱式混合磁悬浮轴承次优H∞鲁棒控制器的研究

介绍了一种新型结构的磁悬浮轴承－锥形滚柱式混合磁悬浮轴承的控制系统和控制原理，并对系统建立状态空间数学模型，通过H∞次优鲁棒控制理论，利用MATLAB提供的鲁棒控制工具，设计出系统在H∞范数边界γ内二次稳定的鲁棒H∞次优状态反馈控制器，并采用具有强大快速的运算处理能力和精炼指令集的DSP（TMS320F240）芯片实现对系统的实时控制。     

H∞控制理论在磁悬浮轴承系统中的应用研究

讨论了鲁棒H∞控制理论灵敏度和补灵敏度加权因子的选择方法，设计了磁悬浮轴承系统的H∞控制器；研制了基于PC机的磁悬浮轴承实时数控系统，用C语言设计了H∞控制器的软件。仿真结果表明，采用H∞控制，系统具有良好的动态性能、较强的鲁棒性和抑制转子振动的能力。对一个五自由度的磁悬浮轴承系统进行试验研究，结果表明，采用H∞控制器成功实现了五自由度磁悬浮轴承系统的稳定悬浮，在最高转速30000r／min时转子的振动峰峰值小于60μm。     

具有控制器增益变化的离散系统时滞记忆鲁棒可靠控制

研究具有控制器增益变化的不确定时滞系统的鲁棒可靠控制.针对同时具有状态时滞和输入时滞的不确定离散系统,通过引入有增益变化的状态反馈控制器,给出了含有记忆和无记忆状态反馈鲁棒可靠控制器的存在条件.在H∞性能指标约束下,又给出了有外界扰动输入时含有记忆和无记忆状态反馈鲁棒H∞可靠控制器的设计方法.仿真结果表明了该方法的可行性.     

机械加工误差对主动磁悬浮轴承性能的影响

针对5自由度主动磁悬浮轴承,分析了每种误差类型对主动磁悬浮轴承工作状态的影响机理及特征;定量分析了机械加工误差、系统设计参数和径向磁悬浮轴承线圈干扰电流之间的关系。研究结果表明,机械加工误差会导致径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承相互耦合,增加系统控制难度;同时会导致径向磁悬浮轴承励磁线圈中附加干扰电流,降低径向磁悬浮轴承的有效载荷;通过分析径向磁悬浮轴承励磁线圈中的干扰电流的特征可以推断系统的误差形式,从而采取相应的措施进行改善。研究结果为更合理地确定主动磁悬浮轴承的设计参数、分析主动磁悬浮轴承系统的装配误差、提高主动磁悬浮轴承的性能提供了理论依据。     

基础振动下两自由度机械臂的鲁棒控制

研究了基于基础振动的两自由度机械臂鲁棒控制问题.利用非线性状态反馈理论,对模型进行线性化处理,结合混合灵敏度理论,对所建立的机械臂动力学方程进行混合灵敏度频域整形.运用H∞控制理论和结构奇异值μ理论,建立了参数不确定系统的H∞控制框图,采用D-K迭代工具设计H∞控制器.仿真结果表明,在不需要基础运动测量的情况下,控制器能有效减少系统的外部干扰以及良好的鲁棒性能.     

基于LMI的磁悬浮永磁直线电动机H∞鲁棒控制器的设计

针对磁悬浮永磁直线电动机中的不确定性扰动,提出基于线性矩阵不等式( LMI)方法设计进给系统的H∞鲁棒控制器.首先,采用矢量控制方法中的id=0控制策略,把非线性系统解耦成独立的线性电流子系统和速度子系统.其次,根据H∞性能指标与线性矩阵不等式的等价性,将设计问题转化为对LMI的求解,进而得到磁悬浮永磁直线电动机系统的状态反馈H∞控制器.最后,为了验证设计的有效性,在MATLAB环境下应用Simulink建立系统的仿真模型,对控制系统进行仿真研究,结果表明所设计的H∞控制器满足对不确定性扰动抑制的要求.     

具有闭环区域极点约束的H_2/H_∞主动悬架鲁棒控制

以1/4车辆二自由度主动悬架为研究对象,采用同时具有H2性能和H∞性能的H2/H∞鲁棒控制理论,运用线性矩阵不等式工具箱,设计出具有H2/H∞性能要求和闭环区域极点约束的状态反馈控制器。运用闭环极点约束的方法,通过调整传递函数||T∞||∞和||T2||2值在H2/H∞混合控制中的权重系数,实现了悬架闭环系统H2和H∞的性能调节。在时域内和频域内进行了仿真,并与LQR控制器进行了对比分析。结果表明,采用H2/H∞鲁棒控制理论设计的控制器对系统参数不确定具有较好的鲁棒稳定性,而且能够有效地抑制外界干扰,很好地改善系统的动态性能。     

磁悬浮转子-轴承碰摩系统的非线性动力学行为

探讨高速旋转的磁悬浮转子与辅助轴承瞬时接触时系统的非线性动力学行为。通过采用数值积分法,综合利用分岔图、时间响应图、Poincaré截面图和相图,首先研究了几何耦合参数α、比例反馈增益P和微分反馈增益D对系统的影响,其次研究了刚度比K和库伦滑动摩擦因数μ分别对偏心量比U的影响。结果表明:当几何耦合参数α取较大的值时,会导致转子偏移平衡位置,引发高速旋转的磁悬浮转子与辅助轴承发生碰摩,设备产生异常振动;比例反馈增益P或微分反馈增益D取较大的值,系统状态稳定,同时偏心量比U的取值会对系统状态产生显著影响。此外,辅助轴承的软装设计有利于系统稳定。     

时滞不确定超高速电液比例系统的H∞控制器研究

根据Lyapunov稳定性原理,给出了具有状态和输入时滞的参数不确定系统鲁棒渐近稳定的充分条件,并采用LM I方法得出了满足鲁棒H∞性能指标的H∞控制器的解,最后通过超高速电液比例系统H∞控制器的设计,证明了该方法的有效性。     

磁悬浮电主轴集成控制系统的动态性能研究

将磁轴承的位置控制和电流控制等环节集成到一片现场可编程门阵列(FPGA)芯片上,设计了基于FPGA的磁轴承集成控制器硬件结构。建立了磁悬浮电主轴的数学模型,并根据其动态性能要求,编写了基于Verilog代码的H∞控制算法,实现了五自由度磁悬浮电主轴在60 000r/min长期稳定运转,并且转子振动幅值小于2μm。研究结果表明,采用基于FPGA集成控制器的H∞控制策略能够提高磁悬浮电主轴的动态性能。     

主动电磁悬浮球系统的H_∞控制器

针对主动电磁悬浮球系统的鲁棒性问题,探讨了H∞控制器在该系统上的应用。首先建立了主动电磁悬浮球系统的线性化数学模型;然后对应H∞混合灵敏度框架,重点介绍了3个加权函数的双重意义及其对系统特性的影响,说明了H∞控制器的设计方法;并对一套实际系统设计了H∞控制器,对系统的性能进行了仿真和实验研究。研究结果表明,基于H∞控制器的主动电磁悬浮球系统具有较高的抗干扰性能和鲁棒稳定性。     

永磁电磁轴承自检测原理

为了降低磁悬浮轴承的制造成本,提高磁悬浮系统的动态性能,提出了自检测磁悬浮轴承系统.该自检测系统从电磁轴承控制线圈两端提取随位移变化的电感电压(电流)信号,作为反馈信号,构成伪微分反馈(PDF)控制的闭环自检测磁悬浮轴承系统.试验结果表明,该自检测磁悬浮轴承系统具有很强的鲁棒性.     

磁悬浮球的H∞控制研究

设计了一种磁悬浮球实验系统，建立了磁悬浮球的控制模型。基于H∞混合灵敏度控制理论，研究了加权阵的选取规律和方法，设计了磁悬浮球的H∞鲁棒控制器。开发了功率驱动系统和光电位置检测系统，并用DSP系统实现了H∞控制算法。仿真分析和实验结果表明：该磁悬浮系统具有较高的控制精度和鲁棒性，解决了磁悬浮系统中的建模精度低，外界干扰难以避免等棘手问题。     

一类参数和时滞不确定的闭环供应链动态模型与鲁棒H∞控制

建立了一类参数与时滞不确定的闭环供应链动态系统模型,包括具有参数不确定的产品回收模型、具有时滞不确定的再制造模型、具有参数和时滞不确定的第三方逆向物流模型三种典型的闭环供应链模型。分析了闭环供应链动态系统的鲁棒运作问题。针对闭环供应链动态系统运作过程中参数与时滞不确定干扰的问题,给出了解决供应链动态模型的鲁棒H∞控制策略及其线性矩阵不等式算法。通过库存状态的静态反馈控制,抑制了供应链动态系统中的不确定性干扰,使供应链运作达到理想状态。最后,以结合国内钢铁行业废钢回收运作状况为背景,进行了仿真计算,并验证了鲁棒H∞控制结果。     

不确定时滞系统的鲁棒H∞控制

针对具有状态滞后且模型中具有时变参数不确定性和外部扰动不确定性的一类线性系统,本文研究了其鲁棒H∞控制问题.利用线性矩阵不等式LMI(Linear Matrix Inequality)处理方法,提出了无记忆状态反馈鲁棒H∞控制器的存在条件.本文所设计的状态反馈控制器能够使时滞系统不仅对时变参数不确定性具有鲁棒性,而且对外部扰动满足预定的衰减性能指标.     

垂直轴盘式电机磁浮轴承系统研究

针对永磁磁悬浮轴承的承载力、刚度过低等问题,对永磁磁悬浮轴承的结构单元构成、结构优化等方面进行了研究,设计了一种由径向三环磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承两个独立悬浮单元构成的,适用于垂直轴盘式电机的全悬浮永磁轴承系统。采用田口算法对上轴向磁环进行了多目标优化,通过结构对比、参数确定以及仿真优化,详细分析了径向磁悬浮轴承与轴向磁悬浮轴承的设计方案;并以磁环宽度w、磁环高度h及磁环间气隙g为优化变量,以承载力、刚度为优化目标,利用仿真建模验证了该方法的有效性。研究结果表明:设计的新型径向磁悬浮轴承刚度提高了2.4倍,优化后的轴向磁悬浮轴承承载力提高了175 N,轴向刚度提高了1.5倍;系统悬浮性能优良、结构紧凑、参数设计合理。     

具有LMI区域极点约束的超高速电液比例H∞控制器研究

为了提高系统响应速度和频宽，利用线性矩阵不等式处理方法设计了具有LMI区域极点约束的输出反馈H∞控制器，分析了LMI区域极点约束对不确定系统动态特性的影响。仿真结果表明，输出反馈H∞控制器不仅能保证超高速电液比例系统稳定的动态特性，还能保证100Hz以上的带宽，确保了良好的跟踪精度。通过试验验证了超高速电液比例系统输出反馈H∞控制器的正确性和有效性。     

基于微粒群优化算法的单元机组H∞控制

针对单元机组提出了一种基于微粒群优化算法的状态反馈H∞控制方案.首先将非线性系统转化为线性时变系统,再把状态反馈H∞控制问题转化为求Riccati方程的解.H∞控制器的控制效果取决于正定矩阵P的选取.为了保证解的存在性,扩大可行解的范围,提高控制效果,将差分进化算法引进到微粒群算法中得到了改进的微粒群优化(PSO)算法,并采用改进的PSO算法求Riccati方程的解,从而实现对控制器参数的实时优化.理论分析和实验结果均表明该设计方案能够得到使系统渐近稳定的状态反馈控制器.由实验结果可以看出该设计方案提高了控制器参数的优化精度,达到了镇定系统和抑制干扰的双重目的,该系统能够在大范围运行工况下稳定运行.     

基于扩展卡尔曼滤波的磁悬浮轴承刚度阻尼辨识

提出一种磁悬浮轴承刚度阻尼的测量方法,通过对转子施加不平衡质量激励,利用扩展卡尔曼滤波算法识别出磁悬浮轴承的刚度和阻尼。仿真研究表明,此方法可有效测量磁悬浮轴承刚度阻尼。经过试验辨识出使用的磁悬浮试验台的支承参数,并将辨识结果带回到仿真文件中进行验证对比,结果表明,可有效辨识出磁悬浮轴承的刚度阻尼参数。     

基于LMI的压电智能板的H∞振动控制

研究了压电智能板结构的H∞振动控制问题,推导出其有限元运动微分方程并对其进行解耦,在状态空间中利用最小实现和平衡降阶法对其进行降阶处理.基于线性矩阵不等式(LMI)方法,针对压电智能板结构设计了次优H∞状态反馈控制器和最优H∞状态反馈控制器.以智能悬臂板结构为例,设计了相应的控制器.仿真结果表明,此方法成功地实现了压电智能板结构对干扰的抑制.