文档名：基于ACPI的磁浮球系统控制方法
摘要：针对传统控制算法在解决磁浮球系统中存在高度非线性特性、参数摄动以及外部扰动的技术局限性问题,提出一种基于自耦PID(Auto-couplingPID,ACPID)控制理论的磁浮球系统控制方法.首先根据电磁力在平衡点附近进行1阶Taylor展开,结合电磁线圈的动态模型,形成以电压为控制输入的磁浮球位置动态系统.在磁浮球动力学模型的基础上,再将不确定高阶项、电磁线圈的未知电流动态以及外部未知有界扰动定义为总扰动,从而可将一个非线性不确定磁浮球系统映射为一个2阶线性扰动系统.其次,基于ACPID控制量纲匹配构造的误差函数,可将2阶线性扰动系统映射为1阶线性系统,进而构建一个在总扰动反相激励下的闭环受控误差系统,据此设计了基于速度因子的磁浮球位置通道控制器,建立磁浮球位置控制系统并进行鲁棒稳定性分析,理论证明了ACPI方法的有效性.最后与国外现有较为先进的控制方法进行对比仿真,分别进行了方波跟踪实验、正弦跟踪实验、抗扰动实验以及鲁棒性实验.与NTSMC+GPIO方法相比,在方波跟踪实验中ACPI控制系统的响应速度提升了50%,ITAE值降低了82%,RMSE值降低了22.4%,其他仿真实验下的控制性能也有明显的提升.研究结果表明,ACPI控制策略不仅可以实现在超调量较小的情况下具备较快的响应速度、较高的控制精度、较强的抗扰动能力以及较好的鲁棒性,而且控制器结构简单、计算量小,在磁浮球控制系统领域具有一定的应用前景.
Abstract：Aimingatthetechnicallimitationsoftraditionalcontrolalgorithmsinsolvingthehighlynonlinearcharacteristics,parameterperturbationsandexternaldisturbancesinthemagneticlevitationballsystem,amagneticlevitationballsystemcontrolmethodwasproposedbasedonAuto-couplingPID(ACPID)controltheory.Firstly,accordingtotheelectromagneticforce,thefirst-orderTaylorexpansionwascarriedoutneartheequilibriumpoint.Thedynamicmodeloftheelectromagneticcoilwascombinedtoformamagneticlevitationballpositiondynamicsystemwithvoltageasthecontrolinput.Basedonthedynamicmodelofthemagneticlevitationball,theuncertainhigh-orderterm,theunknowncurrentdynamicsoftheelectromagneticcoilandtheexternalunknownboundeddisturbanceweredefinedasthetotaldisturbance,sothatanonlinearuncertainmagneticlevitationballsystemcanbemappedtoasecond-orderlineardisturbancesystem.Secondly,basedontheerrorfunctionconstructedbyACPIDcontroldimensionmatching,thesecond-orderlineardisturbancesystemcanbemappedtothefirst-orderlinearsystem,andthenaclosed-loopcontrollederrorsystemundertheanti-phaseexcitationofthetotaldisturbancewasconstructed.Basedonthis,amagneticlevitationballpositionchannelcontrollerbasedonvelocityfactorwasdesigned.Amagneticlevitationballpositioncontrolsystemwasestablished.Therobuststabilityanalysiswascarriedout,andtheeffectivenessoftheACPImethodwasprovedtheoretically.Finally,comparedwiththeexistingadvancedcontrolmethodsabroad,thesquarewavetrackingexperiment,sinusoidaltrackingexperiment,anti-disturbanceexperimentandrobustnessexperimentwerecarriedoutrespectively.ComparedwiththeNTSMC+GPIOmethod,inthesquarewavetrackingexperiment,theresponsespeedoftheACPIcontrolsystemisincreasedby50%.TheITAEvalueisreducedby82%,theRMSEvalueisreducedby22.4%,andthecontrolperformanceunderothersimulationexperimentsisalsosignificantlyimproved.TheACPIcontrolstrategycanachievefasterresponsespeed,highercontrolaccuracy,strongeranti-disturbanceability,andbetterrobustnesswhentheovershootissmall.Thecontrollerhasasimplestructureandasmallamountofcalculation,whichhasacertainapplicationprospectinthefieldofmagneticlevitationballcontrolsystem.
作者：张昌琪 曾喆昭 王伟Author：ZHANGChangqi ZENGZhezhao WANGWei
作者单位：长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙410076
刊名：铁道科学与工程学报
Journal：JournalofRailwayScienceandEngineering
年，卷(期)：2024, 21(3)
分类号：U125
关键词：磁浮球 自耦PID(Auto-couplingPID,ACPID)控制 总扰动 误差函数 速度因子
Keywords：magneticlevitation ACPID(Auto-couplingPID,ACPID)control totaldisturbance errorfunction velocityfactor
机标分类号：TP273TM33TM464
在线出版日期：2024年4月12日
基金项目：国家自然科学基金，湖南省教育厅重点项目基于ACPI的磁浮球系统控制方法[
期刊论文] 铁道科学与工程学报--2024, 21(3)张昌琪 曾喆昭 王伟针对传统控制算法在解决磁浮球系统中存在高度非线性特性、参数摄动以及外部扰动的技术局限性问题,提出一种基于自耦PID(Auto-couplingPID,ACPID)控制理论的磁浮球系统控制方法.首先根据电磁力在平衡点附近进行1阶Taylo...参考文献和引证文献
参考文献
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