磁懸浮系統線性二次型最優控制的研究

　　1 前言

　　近年來，磁懸浮技術得到了迅速發展，并得到越來越廣泛的應用。磁懸浮由于其無接觸的特點，避免了物體之間的摩擦和磨損，能延長設備的使用壽命，改善設備的運行條件，因而在交通、冶金、機械、電器、材料等各個方面有著廣闊的應用前景。目前國外在磁懸浮方面的研究工作主要集中在磁懸浮列車方面，進展最快，己從實驗研究階段轉向試驗運行階段。

　　以線性二次型性能指標為基礎的最優控制問題是二十世紀50 年代末期發展起來的一種設計控制系統的方法, 它把所得到的最有反饋控制與非線性的開環最優控制結合起來，可減少開環控制的誤差，達到更精確的控制目的。

　　本文是以固高科技磁懸浮教學實驗設備為模型基礎，結合線性二次型最優控制的一般理論，實現磁懸浮系統的平穩控制，并通過與經典PID控制比較，理論分析及MATLAB仿真，得到更為滿意的結果。

　　2 磁懸浮系統的數學模型

　　磁懸浮球控制系統是研究磁懸浮技術很典型的平臺，它是一個典型的吸浮式懸浮系統。

　　它的系統結構圖如圖1所示，主要由LED光源、電磁鐵、光電位置傳感器、電源、放大及補償裝置、數據采集卡和控制對象(鋼球)等元件組成

　　圖1磁懸浮實驗系統結構圖

　　2.1系統的工作原理

　　電磁鐵繞組中通以一定的電流會產生電磁力F，只要控制電磁鐵繞組中的電流，使之產生的電磁力與鋼球的重力mg相平衡,鋼球就可以懸浮在空中而處于平衡狀態。為了得到一個穩定的平衡系統，必須實現閉環控制，使整個系統穩定具有一定的抗干擾能力。本系統中采用光源和光電位置傳感器組成的無接觸測量裝置檢測鋼球與電磁鐵之間的距離x的變化。電磁鐵中控制電流的大小作為磁懸浮控制對象的輸入量。

　　2.2 系統的數學模型

　　實際系統的模型參數如下：

　　由于輸入量直接是電磁鐵的控制電流，沒有考慮感抗對系統的影響，而從感性元件儲能的角度加以分析建模。且假設功率放大器的輸出電流與輸入電壓之間呈嚴格的線性關系且無延遲。

系統可用下列方程來描述： 拉普拉斯變換后得： 由邊界方程 代入得系統的開環傳遞函數：

　　定義系統對象的輸入量為功率放大器的輸入電壓也即控制電壓，系統對象輸出量為所反映出來的輸出電壓為(傳感器后處理電路輸出電壓)，則該系統控制對象的模型可寫為：

由上所得，取系統狀態變量分別 ，系統的狀態方程如下：

　　將以上參數帶入可得到

　　由以上可以看出，系統的狀態完全可控性矩陣的秩等于系統的狀態變量維數，系統的輸出完全可控性矩陣的秩等于系統輸出向量的維數，所以磁懸浮實驗系統既是可控的又是可觀的，因此可以對系統進行控制器設計，使系統穩定。

　　3 線性二次型最優控制方法

　　3.1 線性二次型最優控制器的結構

　　其結構框圖如圖2所示

　　圖2線性二次型最優控制器的結構圖

　　3.2 線性二次型最優控制方法

　　設線性時不變系統的狀態空間方程為：

其中，是n維的狀態向量，是m維的控制向量，是維和維矩陣向量。設計狀態調節器，線性二次型最優控制的目的是設計，使線性二次型的性能指標 最小,其中，和分別是對狀態變量和輸入向量的加權矩陣，對最優控制而言，為半正定的對稱常數矩陣，為半正定的對稱常數矩陣，F為正定的對稱矩陣。構造哈密頓函數

　　求解Riccati矩陣微分方程：

得到最優控制： 式中 為狀態反饋系數矩陣，它可用下面式子來描述：

　　4 系統的MATLAB仿真

　　由圖2中得系統模型為：

現假設系統的最優控制律為 ，求反饋增益矩陣 ,使得性能指標： 選取，在Matlab環境下編寫程序進行線性二次型最優控制器設計仿真,得最優控制器的反饋增益矩陣K的值為：K =[10.3998 1.0042]，沖擊響應仿真結果如圖3所示：

　　圖3 沖擊響應仿真曲線(一)

選取，得最優控制器的反饋增益矩陣K 的值為：K =[ 32.0173 1.0127]，沖擊響應仿真結果如圖4所示：

　　圖4 沖擊響應仿真曲線(二)

選取，得最優控制器的反饋增益矩陣K 的值為：K =[ 100.3929 1.0394]，沖擊響應仿真結果如圖5所示：

　　圖5 沖擊響應仿真曲線(三)

　　比較仿真結果發現，圖5沖擊響應需要的穩定時間較短，并且在穩定時間內系統的幅值變化較小，較好的滿足了系統的平穩控制，由此可見本文最優控制方法很好的達到了系統的要求。

　　當系統采用PID調節器的時候，系統結構如圖6所示：

　　圖6 PID系統結構圖

　　經多次設置PID參數進行仿真比較，當PID參數時，系統控制性能得到最佳結果，仿真結果如圖7所示：

　　圖7 沖擊響應仿真曲線(四)

　　采用PID調節器的控制結果和最優控制方法相比，雖然能達到控制目的，但控制指標效果不理想，且多次試驗參數時間較長，采用最優控制通過最優化算出反饋增益，減少時間，達到比較滿意的控制指標。

　　結束語

　　本文結合線性二次型最優控制的一般理論，實現磁懸浮系統的平穩控制，并通過理論分析及MATLAB仿真，且與經典PID控制比較仿真結果發現，最優控制方法需要的穩定時間較短，并且在穩定時間內系統的幅值變化較小，較好的滿足了系統的平穩控制，由此可見本文最優控制方法很好的達到了系統的要求。