磁力轴承的模糊控制与数字滤波算法研究

论文摘要

主动磁力轴承(以下简称磁力轴承)是利用可控磁场力使转子稳定悬浮的一种新型高性能轴承。它将作为滚动轴承和滑动轴承等传统机械轴承的更新换代产品,成为21世纪最有发展前途的主导轴承。磁力轴承必须在控制系统的协助下才能正常工作,因此,控制器性能的好坏直接影响到磁力轴承的动态性能和转子的控制精度。本文重点分析控制算法与滤波算法。 磁力轴承是一个本质不稳定系统,为此,必须引入微分环节,实际控制中通常采用PID控制。文中介绍了几种改进型的PID控制算法,并对常被忽视的积分饱和现象提出了Simulink仿真解决方案。针对PID参数常规整定方法的不足,运用线性规划中的单纯形法,结合改进的ITAE性能指标对PID控制器的三个参数进行了优化。 磁力轴承具有非线性,而传统PID控制器是按照线性化理论进行设计,不能有效控制转子的大范围起浮。结合PID控制器的高精度与模糊控制器的鲁棒性以及比例控制的快速性,文中提出了比例—模糊—PID多模控制器,仿真结果表明该控制器能使转子快速平稳起浮,且无稳态误差。 为克服单凭经验确定模糊控制规则的缺陷,并避免控制规则定义中的空档现象,文中通过解析方法分析设计了四修正因子模糊控制器和拟合修正因子模糊控制器。通过对优化得到的四个修正因子运用一个三阶多项式进行最小二乘法逼近,得到拟合修正因子模糊控制器。仿真结果表明拟合修正因子模糊控制器有效地改善磁力轴承转子起浮的动态性能和悬浮的稳态性能。 滤波器用于对信号进行频域上的变换处理,可用于改善磁力轴承控制系统性能。本文采用对模拟滤波器数字化的双线性变换方法得到低通IIR数字滤波器。运用MATLAB信号处理工具箱的命令函数对实际采样的位移信号进行低通滤波,时域和频域的仿真结果都表明所设计的IIR滤波器具有良好的滤波效果。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 磁力磁轴承的特点
• 1.2 磁悬浮技术的发展概况
• 1.3 控制算法研究现状
• 1.4 数字滤波算法研究现状
• 1.5 课题来源
• 1.6 论文内容安排
• 第2章 磁力轴承的数学模型
• 2.1 磁力轴承工作原理及结构
• 2.2 磁力轴承的分类及特点
• 2.3 主动磁力轴承数字控制系统
• 2.4 磁力轴承的单自由度数学模型
• 2.5 电磁铁线圈电感的计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 磁力轴承的PID控制
• 3.1 PID控制器
• 3.2 PID控制器的改进
• 3.2.1 带死区的PID调节
• 3.2.2 积分分离PID控制算法
• 3.2.3 抗积分饱和
• 3.2.4 不完全微分PID控制算法
• 3.3 磁力轴承的MATLAB仿真
• 3.4 PID参数的单纯形法寻优
• 3.4.1 目标函数的确定
• 3.4.2 单纯形法寻优步骤
• 3.4.3 仿真研究
• 3.5 本章小节
• 第4章 磁力轴承的模糊控制
• 4.1 模糊控制器的设计步骤
• 4.1.1 确定模糊控制器的输入输出变量
• 4.1.2 精确量的论域变换
• 4.1.3 隶属度函数的确定
• 4.1.4 模糊控制规则
• 4.1.5 模糊推理方法
• 4.1.6 解模糊方法
• 4.2 磁力轴承的基本模糊控制器
• 4.2.1 基本模糊控制器的设计
• 4.2.2 基本模糊控制的Matlab仿真
• 4.3 磁力轴承的多模控制
• 4.4 磁力轴承的自校正模糊控制
• 4.4.1 单修正因子模糊数模糊控制器设计
• 4.4.2 多修正因子模糊控制
• 4.4.3 拟合修正因子模糊控制
• 4.5 本章小结
• 第5章 磁力轴承的数字滤波器设计
• 5.1 数字滤波器概述
• 5.1.1 数字滤波器的分类
• 5.1.2 数字滤波器的设计步骤
• 5.1.3 数字滤波器的性能指标
• 5.2 IIR滤波器的设计方法
• 5.3 模拟低通滤波器特性
• 5.4 模拟滤波器的数字化
• 5.5 IIR滤波器的MATLAB设计
• 5.6 IIR滤波器的实现结构
• 5.7 实验研究
• 5.8 本章小结
• 第6章 结束语
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢