基于RTLinux的磁悬浮球控制系统研究

论文摘要

近年来,磁悬浮技术以其独特的优点越来越被重视,随着电子技术、控制理论、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的发展,磁悬浮技术取得了长足的进步。本文以磁悬浮球装置来研究单自由度磁悬浮系统的数字控制。磁悬浮系统是一个典型的开环不稳定的非线性系统。本文在分析磁悬浮球系统的构成的基础上建立了磁悬浮球的数学模型。针对在平衡点展开的线性模型进行了标准PID和变参数PID控制器的设计。另外本文尝试对磁悬浮球系统进行非线性控制来提高其控制的稳定性和鲁棒性,针对其简化的非线性模型,建立了一种非线性SDRE(基于状态的黎卡提方程控制)控制器。磁悬浮球控制要求控制器的执行平台具有较高的实时性。在比较了Windows,DOS和RTLinux平台的特点后,本文选择RTLinux硬实时系统作为系统的控制平台,详细分析了RTLinux的源代码,研究了RTLinux操作系统的原理、特征及任务调度策略,并将数据采集卡与RTLinux系统相连,实现了实时数据采集。在对RTLinux进行实时测试之后将控制算法实现于平台之上,实现了钢球的稳定悬浮。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮概述
• 1.1.1 磁悬浮的分类
• 1.1.2 磁悬浮的特点
• 1.2 磁悬浮的研究现状
• 1.2.1 磁悬浮技术的发展
• 1.2.2 磁悬浮技术的其他应用
• 1.2.3 磁悬浮控制方法现状与发展趋势
• 1.3 课题的提出及意义
• 1.3.1 硬件平台的选择
• 1.3.2 软件平台的选择
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 磁悬浮球系统控制模型分析
• 2.1 磁悬浮球系统的构成与原理
• 2.1.1 磁悬浮平台硬件构成
• 2.1.2 磁悬浮球控制系统硬件构成
• 2.1.3 磁悬浮球系统的原理
• 2.2 磁悬浮球系统的数学模型
• 2.2.1 钢球运动方程的推导
• 2.2.2 磁悬浮球系统开环传递函数
• 2.2.3 磁悬浮球模型的数值化
• 2.2.4 一种简化的模型数值化的方法
• 2.3 磁悬浮球闭环系统
• 2.4 本章小节
• 第三章 RTLinux 及软件开发关键技术
• 3.1 实时操作平台的选择
• 3.1.1 基于DOS 平台的控制软件特点
• 3.1.2 基于Windows 平台的控制软件特点
• 3.1.3 基于RTLinux 平台的控制软件特点
• 3.2 RTLinux 及其原理
• 3.2.1 RTLinux 简介
• 3.2.2 RTLinux 的组成
• 3.2.3 RTLinux 的实现原理
• 3.2.4 RTLinux 任务调度策略
• 3.3 实时数据采集在 RTLinux 中的实现
• 3.3.1 COMEDI 规范
• 3.3.2 Linux 下COMEDI 应用程序的编写
• 3.4 RTLinux 及 RTLinux 下 COMEDI 的安装
• 3.4.1 RedHat9.0 上RTLinux 的安装
• 3.4.2 RTLinux 上COMEDI 的安装
• 3.4.3 Linux 和RTLinux 下使用COMEDI 的区别
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于 RTLinux 的控制软件设计
• 4.1 RTLinux 下的软件结构
• 4.1.1 实时控制部分
• 4.1.2 非实时界面部分
• 4.1.3 程序分析
• 4.2 RTLinux 的实时性测试
• 4.3 磁悬浮球系统控制器设计
• 4.3.1 标准PID 控制
• 4.3.2 变参数PID 控制
• 4.4 实验结果
• 4.5 本章小节
• 第五章 磁悬浮球系统的非线性控制器的研究
• 5.1 SDRE 控制描述
• 5.2 一类二阶非线性系统SDRE 控制器参数的选择
• 5.3 磁悬浮非线性模型的简化
• 5.4 磁悬浮系统的SDRE 控制器设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作及贡献
• 6.2 有关进一步研究的思考
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文