基于分叉行为磁悬浮控制系统控制器设计研究

本文基于磁悬浮控制系统的分叉特性,提出了一种从理论上确定控制器参数范围的方法,通过应用非线性动力学分析得到的系统规形和普适开折,给出了为实现稳定控制,控制器参数的范围。数值仿真表明,理论分析是正确和有实际意义的。     

高维磁悬浮控制系统混沌与控制器设计研究

基于高维磁悬浮控制系统的倍周期分叉、混沌特性，从理论上提出了一种确定控制器参数范围的近似方法。通过基于谐波平衡准则的分析，给出了此系统产生混沌的近似条件，确定了混沌存在的位置，获得了此系统产生混沌及其它动力学有为的参数图，试图为保证此系统实现稳定控制的控制器设计提供一种理论依据。     

非线性磁悬浮系统动力学建模与控制研究

针对磁悬浮列车悬浮系统的强非线性和存在外界扰动下传统PID控制器鲁棒性弱的问题,首先建立磁悬浮控制系统的数学模型并通过Adams动力学分析软件进行非线性动力学建模。采用模糊规则对PID的参数进行在线自适应整定,设计适用于磁悬浮系统的模糊自适应PID控制器。讨论在不同外界干扰下,所设计控制器在实现磁悬浮列车稳定悬浮时的控制性能并在虚拟样机中进行实时观测。通过对所设计的模糊自适应PID控制器在磁悬浮系统上的应用,可以明显发现其控制性能优于传统PID控制器。此外,在受到外界干扰的情况下,与传统PID控制器相比,所设计的模糊自适应PID控制具有较强的抗干扰性及鲁棒性。更适用于在实际磁悬浮工程中克服外界干扰来工作运行。     

一类非自治机械系统的混沌同步控制研究

根据拉格朗日运动方程和牛顿力学定律, 建立机械式离心调速器的动力学方程, 运用数值仿真, 研究受外部扰动的离心调速器系统动力学行为, 该系统具有较复杂的动力学特性.利用系统的全局分岔图和李雅普诺夫指数谱,准确刻画出系统的局部动力学行为, 并讨论离心调速器系统参数变化对机械系统运动状态的影响,由此得知该系统在适当参数下处于混沌运动.运用Poincaré映射图揭示该系统的Hopf分岔与混沌形成过程.基于Lyapunov稳定性理论, 采用耦合反馈同步控制方法与自适应同步控制方法实现混沌同步, 并给出实现自同步的条件及控制律参数的选取范围.最后运用数值仿真证实同步控制方法的有效性.     

低速磁浮列车磁悬浮系统仿真平台设计与控制

低速磁浮列车采用电磁型(EMS)悬浮控制系统。由于系统的本质非线性和开环不稳定,使控制系统的设计成为磁浮交通的关键技术。文中首先建立了磁悬浮系统非线性动力学模型,并搭建了磁悬浮系统仿真平台,该平台可用于控制策略的设计与验证。然后利用线性化模型,设计了带有加速度反馈的PD控制律。通过仿真平台中非线性模型的仿真结果,优化了控制器结构和参数。最后通过整车试验验证了所设计的控制系统的有效性。     

电驱动海洋绞车主动升沉补偿自抗扰控制系统

针对电驱动海洋绞车主动升沉补偿系统非线性时变的特点,提出了基于自抗扰控制（ADRC）的电驱动海洋绞车主动升沉补偿控制系统。首先对电驱动海洋绞车系统进行动力学分析,然后建立电驱动海洋绞车数学模型,进而建立主动升沉补偿自抗扰控制系统的仿真模型,并进行仿真分析。在不同海况、不同下放深度、不同缆绳直径和不同重物质量等情况下对该系统进行仿真,并与PID控制器进行比较,结果表明：当海况和电驱动海洋绞车控制系统模型参数发生变化时,控制器参数保持不变的情况下,自抗扰控制器仍然能保持良好的动态性能,比PID控制器具有更快的响应速度、更强的鲁棒性和抗干扰能力。     

磁悬浮硬盘转子机电耦合动力学分析

为研究磁悬浮硬盘转子的动力学特性,建立了一种基于状态空间的统一的动力学模型,同时将磁力轴承为弹簧阻尼支承系统建立简化的转子动力学模型,通过两种模型的计算结果分析,机、电、磁、控制相互耦合的作用,对磁悬浮硬盘转子系统的特征值有较大的影响。     

非线性强陀螺效应磁悬浮转子的解耦控制

针对磁悬浮控制力矩陀螺径向磁悬浮转子强非线性、强陀螺效应耦合对系统稳定性的影响,建立了磁悬浮转子多通道非线性动力学模型与功放模型,分析了磁悬浮转子系统的强陀螺效应耦合性,提出了一种考虑功放环节的α逆系统结合滑模控制器的解耦控制方法,并对其进行了仿真试验。结果表明,该方法对磁悬浮转子系统有良好的解耦效果与鲁棒性。     

基于非线性模型下磁悬浮球系统控制策略

对磁悬浮技术的研究,最简单的要属单自由度磁悬浮球系统,而磁悬浮控制系统中最重要的部分,要属控制器的组成,控制器的性能直接影响到磁悬浮产品在实际中的应用。本文在理论上建立了控制系统的非线性数学模型并采用Simulink对非线性控制系统进行PID控制、极点配置加PI修正两种控制方法进行了仿真研究及各种扰动下的仿真分析,对研究非线性控制的策略具有重要意义。     

基于Normal Form方法的电机系统分岔控制

研究了无刷直流电机系统等效非线性数学模型,分析了系统的Hopf分岔行为,并设计了washout滤波器,对系统产生的分岔行为进行控制。引入直接Normal Form（规范型）计算方法,求出系统的Hopf分岔规范式。通过规范式系数讨论控制参数的选择原则以及对Hopf分岔类型及极限环幅值的影响。理论和仿真结果表明：在施加控制器之前,系统发生亚临界Hopf分岔,极限环不稳定,系统进入混沌状态;在施加控制器之后,当受控系统规范式系数实部小于零时,系统发生超临界Hopf分岔,原系统不稳定极限环被控制为稳定极限环,从而抑制了混沌的产生,保证了电机运行性能的稳定性。     

基于磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构设计

针对常规基因生物芯片成像系统由于基因芯片位姿调整频繁而引起的调整机构机械磨损的关键问题,设计一种基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪。根据基因生物芯片成像扫描仪的工作原理及磁悬浮技术的结构特点,建立由电磁参数与成像分辨率组成的系统微分阵列,通过理论优化确定电磁结构参数,采用有限元分析法对系统进行电磁热结构耦合分析,优化分析结果并搭建实验测试装置。利用本装置对基因生物芯片成像扫描仪进行参数标定,验证扫描仪磁悬浮系统结构设计结果,并与进口PCR仪进行实验测试数据比对。结果表明,本文设计的磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构匝数为340 N时产生的有效电磁面积为180 mm~2,此时磁悬浮系统精度误差小于0.15 mm,与仿真数据基本吻合,与美国Bio-Rad数字PCR系统做T790M突变检测的数据对比实验所测得结果CV<5%。本文设计的基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪精度可以满足基因生物芯片成像检测的要求,为提升调整装置使用寿命方面提供核心技术保障,在提升临床肿瘤筛查、基因诊断技术中发挥重要的作用。     

PID控制器在磁悬浮球系统实验中的应用

设计了一个PID控制器对实验室已有的磁悬浮球系统进行了改进,通过对PID控制器参数的调整,来优化磁悬浮球系统的稳态及动态性能。     

Automatic object release in magnetic and electrostatic levitation systems

A method is described for automatic release of a levitated object without external control commands in levitation systems (such as magnetic and electrostatic levitation). The key aspect is an integral action in the controller. Examples of a zero-power controller for magnetic levitation and a proportional-integral-derivative (PID) controller for electrostatic levitation are presented. Automatic release of the levitated object is a consequence of the controller behavior when the levitated object has a temporary forced position error. In a pick and place task that uses non-contact levitation techniques, a position error is induced at placing. Automatic release simplifies the task of placing, as no external command is required. The principle of this release method is explained and analyzed using a zero-power controller in a magnetic levitation system. For electrostatic levitation, which is analogous to magnetic levitation, experimental results of an automatic release based on PID-control are presented. A general guideline is derived to tune the controller settings so as to achieve automatic release, and this is supported by experiments.     

Influence of nonlinear characteristics of electromagnet and normal force of a linear induction motor on a magnetically levitated vehicle

In the literature related to maglev vehicles, most studies have primarily discussed the trade-off between a levitation system and guideway smoothness, such as deflection and surface roughness, and the optimization of a levitation controller. A dynamic model integrated with a kinematic vehicle, electromagnetic suspension system, guideway profile, and levitation controller model has been widely used for this purpose. However, in addition to guideway smoothness and stiffness, the normal force of a Linear induction motor (LIM) that is installed in the same bogie frame and drives the maglev vehicle can be regarded as a disturbance element affecting a levitation system. In addition, a linear model of an electromagnetic force is usually used in linear approximations around the nominal equilibrium point, in spite of its nonlinear characteristics. In this study, to analyze the interaction between electromagnetic and normal forces of the LIM, a dynamic model coupled with the normal force calculated from finite element analysis was developed. In addition, to comparatively analyze levitation stability by considering the linear and nonlinear characteristics of electromagnets, the non-linear electromagnetic forces measured in the experiment are coupled to the dynamic model. From the simulation results, it was confirmed that although a slight increase in current was observed with the LIM model when compared to without the LIM model, it produced no adverse effect on levitation stability. In simulation, considering the non-linear characteristics of an electromagnet, it was confirmed that the nominal current of the linear model converged to a higher value than the designed nominal current when the vehicle was standing still, whereas the nominal current of the non-linear was similar to the designed one.     

基于遗传算法的可控励磁直线磁悬浮同步电动机自抗扰控制

对可控励磁直线磁悬浮电动机控制系统提出基于遗传算法的自抗扰控制策略。根据可控励磁直线磁悬浮电动机的运行机理,建立其数学模型。设计反馈跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性反馈控制律,对传统函数fal进行改进,应用到控制器中。实现对给定信号的跟踪,并将系统耦合量和外界扰动作为系统的“总扰动”,并对总扰动进行观测与补偿。针对控制器中存在多个参数难以整定的问题,采用遗传算法对控制器参数进行寻优。对控制系统进行仿真研究,结果表明,基于遗传算法的自抗扰控制系统具有对参考信号良好的跟踪性能,以及对干扰信号的抑制能力。     

磁悬浮振源测试技术

构建了磁悬浮球系统模型,通过实测磁悬浮球受力参数推导了磁悬浮球动力学方程,该方程与质量-弹簧系统的动力学方程都可实现振动测量.利用磁悬浮振动测试系统测得受振体的振动并利用最小二乘拟合法得到最大振动强度的方向,由此得到振源的方向.通过两组磁悬浮振动测试系统得到振源的位置,推导了平面振源的二维坐标表达式.试验表明,磁悬浮振源测试系统的二维振源测试结果与实际振源位置相吻合.最后,推导了立体空间振源的三维坐标表达式.     

VERTICAL NONCONTACT POSITIONING H∞ ROBUST CONTROL FOR MAGNETICALLY LEVITATED SURFACE MOTOR

To fulfill the stringent requirement, super-precision positioning and ultra cleanness, a surface motor with the integrated chip fabrication equipment is constructed by using permanent magnets and electromagnet coils as primary actuating components. It consists of stator and mover, and the mover is isolated from the stator by the magnetic bearing. The magnetic bearing in the stator is composed of eight air core electromagnet coils, the propulsion in the stator is composed of iron core and electromagnetic coils, and the mover is composed of NdFeB permanent magnets and levitated stage. Based on Lorentz law, some parameters, including permanent magnets dimensions, currents and levitation height, which may affect the stability, are analyzed and optimized. To improve the positioning accuracy in the vertical direction of the magnetic levitation surface motor, a robust controller is proposed using H∞ mixed sensitivity control theory. The simulation results show that by choosing appropriate weight functions, the controller can ensure the robustness of the closed loop system under the presence of uncertainties, and the H∞ robust controller is excellent for reducing steady error and increasing response speed.     

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。     

加工中心龙门磁悬浮高度的滑模-H_∞控制

针对龙门数控加工中心中移动横梁的悬浮高度进行了研究。在龙门移动式数控机床中,可采用磁浮技术悬浮横梁消除摩擦提高加工精度。为保持悬浮系统的稳定性和精确性,提出了自适应积分滑模控制器并结合鲁棒H∞控制理论的控制方案。针对系统参数摄动和未建模动态设计了积分滑模变结构控制器;为降低滑模控制器抖振的发生,采用自适应控制对控制律的不确定值进行估测;考虑到刀具切削部件引起的系统质量变化以及外力干扰等对系统的影响,在控制中结合了H∞的控制理论,以增加系统的鲁棒性。仿真研究结果表明,此控制器具有很强的抑制扰动的能力和高刚度,可以实现稳定悬浮。