磁悬浮球控制系统设计和控制算法的研究

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1、■●1，k‘’NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics．11heGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringDesignofMagneticLevitationBallControlSystemandResearchofControlAlgorithmAThesisinPrecisionInstrumentandMechanismbyWangWeiAdvisedbyProfessorLiuChunShengSubmi

2、ttedinPartialFulfillmentOftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2009j一-承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以

3、将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：王釉一●●k—I南京航空航天大学硕士学位论文摘要磁悬浮球系统涉及到机械学、控制理论、数字信号处理等多领域的知识，每个环节都直接影响了磁悬浮球系统的性能，是一个复杂的机、电、磁综合系统。本文结合磁悬浮技术的发展趋势和实际应用背景，对磁悬浮球控制系统的硬件结构、控制算法进行了较深入的分析和研究。详细介绍了磁悬浮球系统的组成、工作原理、数学模型，并在此基础上设计了硬件结构

4、、控制器算法，组建了整个控制系统。首先介绍了磁悬浮球控制系统的组成和工作原理，在此基础上设计控制系统的硬件部分，详细介绍了PID控制器、电涡流传感器、开关功率放大器的设计方法，并给出了设计的原理图、印制出的电路板及电路板的测试过程。对电路板的测试结果表明电路板的性能可以满足磁悬浮球系统的要求。其次控制器的性能直接影响整个系统的性能，本文将滑模变结构控制算法应用在磁悬浮球系统中，其中包括基于反演设计的滑模控制、动态滑模控制和基于积分切换函数的自适应滑模控制，并进行了MATLAB仿真。仿真结果表明，系统由初始状态

5、到稳定悬浮的时间过渡很短，输出信号可以很好的跟踪输入信号、误差很小，符合系统要求，三种控制算法都能得到较理想的控制效果。最后本文采用MATLAB开发环境设计的离散滑模变结构控制器，利用MATLAB软件的实时控制功能(RTW)，通过数据采集卡与外部系统相连，实现了以计算机为控制平台的数字控制。在数字控制中为消除系统中干扰，加入了滤波器(卡尔曼滤波器和强跟踪滤波器)设计，得到了有研究意义的实验效果。本文对单自由度磁悬浮球系统的研究，对磁悬浮技术的广泛应用起着重大的推动作用，故对此磁悬浮球系统的研究具有重要意义。关

6、键词：磁悬浮球，硬件设计，滑模控制，滤波器，RTW磁悬浮球控制系统设计与控制算法研究Themagneticlevitationballsystemisacomplexintegratedsystemincludingmechanism,electricandmagnetic．Theresearchonsuchsysteminvolvestheknowledgeofmechanics，controltheory,anddigitalsignalprocessing．Thehardwarestructureand

7、thecontrollersaredesignedinthispaper．Thewholecontrolsystemisestablishedwithdescribingapplicationbackgroundofthemagneticlevitation,thesystemcomposition,workingprincipleandmathematicalmodelindetails．Firstofall，thecomponentandthebasicprincipleofthemagneticball

8、levitationcontrolsystemisintroduced，thenthehardwarepartofthissystemisdesigned，includingPIDcontroller,eddycurrentsensorandpoweramplifier．Theschematicdiagrams，thecircuitboardsandthetestingprocessesaregiv