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摘 要

近年来, 随着磁悬浮技术的日益成熟与大量使用,如何更好的掌握磁悬浮系统的特性, 并获得更优的控制性能得到了广大科学工作者们的关注。磁悬浮系统是一个本质非线性、不稳定的系统，基于静态工作点的线性化方法对磁悬浮系统难以取得满意的全局性能。而自适应控制理论可以较好地适应磁悬浮系统的控制特点，在原系统的基础上加入自适应控制机构，使整个磁浮系统具有一定适应能力，即自动产生校正控制动作，使系统尽可能达到最优的控制效果，实现大范围稳定悬浮。

自适应控制系统自适应控制和常规的反馈控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。

本文以磁悬浮飞轮系统为研究对象,基于该系统的线性化模型,首先建立了磁悬浮系统在平衡点的数学模型，为自适应控制器选择了恰当的状态模型和参考模型。在此基础上对自适应控制进行了理论和仿真分析， 实现了自适应控制，所设计的控制器具有结构简单易于实现,控制输入易于得到等优点,仿真实验验证了该控制器的有效性。

关键词：磁悬浮飞轮系统、自适应控制、仿真

Study on adaptive control of magnetic suspension flywheel

ABSTRACT

In recent years, with the increasing maturity of the extensive use of magnetic levitation technology, how to better grasp the characteristics of magnetic suspension system, and to obtain better control performance by the majority of scientists' attention. Maglev system is a nonlinear nature, unstable system, based on the static operating point linearization method for magnetic levitation system is difficult to achieve a satisfactory global performance. The adaptive control theory can better adapt to the characteristics of magnetic levitation control system, adding adaptive control mechanism on the basis of the original system, the entire maglev system has a certain ability to adapt, automatically generating a corrective control actions, so as to achieve optimal system control effect, to achieve a wide range of stable suspension.

Less adaptive control and adaptive control system of conventional feedback control as a control method is based on a mathematical model, except that the adaptive control is based on a priori knowledge model and disturbance in the system needs to run to continue the process of extracting information about the model, so that the model was gradually improved. Specifically, based on the input and output data objects, continue to identify the model parameters, a process known system of online identification. With the ongoing production process, through online identification, the model will become more accurate, more and more close to the actual. Since the model in continuous improvement, obviously, out of the integrated control action based on this model will also continue to improve. In this sense, the control system has a certain capacity to adapt. For example, when the system is in the design phase, since the initial information relative lack of object properties, the system may be put into operation at the beginning of the performance is not ideal, but if after a period of operation, through subsequent online identification and control, control system gradually adapt will eventually adjust itself to a satisfactory working condition. Another example is some control object, its properties during operation may be larger changes, but through online identification and change control parameters, the system can gradually adapt.

In this paper, magnetic levitation flywheel system for the study, the linear model of the system based on magnetic levitation system first established mathematical model of equilibrium point, select the appropriate state model and reference model adaptive controller. On the basis of adaptive control theory and simulation analysis, for adaptive control, the controller has a simple structure and easy to implement, easy to get control input, etc., the simulation results show the effectiveness of the controller.

Keywords: magnetic levitation flywheel system, adaptive control, simulation

目 录

摘 要 I

第一章 绪 论 6

1.1 课题的背景及意义 6

1.1.1磁悬浮技术的发展及背景意义 6

1.1.2自适应控制技术的背景和意义 7

1.2.磁悬浮轴承技术的国内外研究现状及应用 9

1.3课题的应用前景 11

1.4 磁悬浮飞轮自适应控制课题的研究意义 13

1.5本文结构 15

第二章 磁悬浮自适应控制原理 16

2.1磁悬浮系统工作原理 16

2.2自适应控制原理介绍 18

2.3本章小结 22

第三章 磁悬浮飞轮自适应系统建模 23

3.1概述 23

3.2磁悬浮系统的电路设计 23

3.2.1电源电路 23

3.2.2功率放大电路 24

3.2.3位置检测电路 25

3.2.4 DSP控制器 26

3.3单自由度磁悬浮飞轮系统建模 26

3.4磁悬浮飞轮自适应系统建模 28

3.5本章小结 31

第四章 磁悬浮飞轮自适应控制仿真 32

4.1基于MATLAB仿真程序制定 32

4.2仿真结果分析 33

4.3本章小结 36

第五章 总结和展望 37

参考文献 42

致 谢 45

第一章 绪 论

1.1 课题的背景及意义

1.1.1磁悬浮技术的发展及背景意义

磁悬浮，亦作磁浮，是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”，从而使物件不受引力束缚自由浮动，具有无接触、无摩擦、低能耗、低噪声、无需润滑、维护费用低、使用寿命长、高精度以及自动化程度高等优点。磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学等为一体的机电一体化综合性较强的高新技术，其研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼〃肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统，此后，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家为提高交通运输能力以适应经济发展需要加快筹划磁悬浮运输系统的开发。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展。至2012年世界上已有三种类型的磁悬浮，一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。第三种是中国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持^[2]。

磁悬浮技术应用范围及其广泛，涉及工业、民用及军事各个领域，磁悬浮产品涵盖高速精密电主轴、磁悬浮飞轮电池、磁悬浮人工心脏泵，磁悬浮火车、卫星、远程导弹的制导与姿态控制，军事通讯用的UPS，航空发动机的高速转子，潜艇的振动控制与传动噪音，坦克、装甲车的动力储能、磁悬浮冶炼、搬运技术等。当前，国内外对磁悬浮技术的研究热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，而应用最广泛的是磁悬浮轴承。

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