三浮陀螺有源磁悬浮系统高精度控制技术研究

作     者：唐哲 

作者单位：中国航天科工集团第二研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：黎坤

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：三浮陀螺 有源磁悬浮 状态反馈 模糊PID控制 

摘      要：磁悬浮技术在机电陀螺上的应用直接改善了陀螺输出轴的支撑环境,可以大大消除浮子组件与陀螺壳体间的机械接触,稳定浮子的质心位置,从而大大提高陀螺精度。本文研究并分析了不同控制方法对磁悬浮系统的影响,并进行了仿真与实验。首先,在磁悬浮系统结构的基础上,分析了有源磁悬浮系统的加力机理,研究了系统力学模型。以三浮陀螺浮子为研究对象,根据刚体一般运动的运动微分方程,建立了浮子5个自由度的动力学关系和浮子运动的状态方程,并对4种典型外作用下浮子运动规律进行了仿真与分析,又通过实验研究了在不同工况下陀螺浮子的运动规律。其次,针对输出反馈因耦合存在而导致的问题,对有源磁悬浮控制系统进行了状态解耦反馈控制,状态反馈对控制参数的调整更加灵活,仿真结果表明,状态反馈系统能够有效地增大系统刚度,减低磁悬浮加力。在状态反馈的基础上,对各个通道设计了经典PID控制器。由于经典PID的控制参数不能随系统状态进行调整,往往很难达到最优的控制效果,因此又设计了模糊PID控制器,采用模糊PID控制器能够对控制参数进行在线调整,通过仿真验证了模糊PID控制的优越性。最后,在简单分析有源磁悬浮硬件电路各组成部分的原理及功能的基础上,以某型号三浮陀螺为试验平台,设计了模糊PID控制算法,并对控制算法进行试验,验证了算法可行性。