磁悬浮系统的无模型自适应预测控制算法及实验研究

作     者：蓝昕雨 

作者单位：桂林理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钟志贤

授予年度：2023年

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

主      题：磁悬浮系统 无模型自适应预测控制 预测控制 相位超前控制 

摘      要：磁悬浮系统因其低损耗、控制原理简单、无接触悬浮等优点,在医学、工业、计算机等领域中都具有广阔的应用前景。同时,磁悬浮系统也是具有非线性、开环不确定性以及难以建立精确模型的复杂系统。本文将磁悬浮系统作为研究对象,建立了磁悬浮系统的动力学模型,将无模型自适应预测控制算法应用于解决磁悬浮系统难以精确建模的问题中,具体研究如下:(1)由于预测控制能利用未来时刻的I/O信息,具备很强的鲁棒性,将预测控制的策略与无模型自适应控制相结合,提出将基于无模型自适应预测控制算法应用于磁悬浮系统中,该算法仅利用被控对象的I/O数据设计控制器,不依赖数学模型信息,同时,对所提控制策略进行严谨的稳定性分析,证明算法的收敛性。(2)由于实验使用的磁悬浮系统为二阶系统,而无模型自适应预测控制器未包含二阶积分控制内容,无法直接对二阶系统进行稳定控制,故对所提控制策略进行改进,增加对一阶、二阶差分的限制,提出改进的无模型自适应预测控制算法(Improve Model Free Adaptive Predictive Control,IMFAPC),并在MATLAB/Simulink中对基于IMFAPC控制策略的磁悬浮系统进行建模。(3)在磁悬浮球系统上展开IMFAPC与相位超前校正控制算法的仿真与实时实验对比,证明IMFAPC算法由于包含未来时刻的I/O信息,在面对期望轨迹发生突变时,也能快速做出控制决策,具有良好的跟踪性能,而相位超前校正算法是基于磁悬浮球数学模型建立的控制器,不具备自适应性,与仿真实验得出的结论一致,当系统发生突变时,基于模型的控制器不能很好地实现对磁悬浮系统的自适应跟踪。(4)在平衡点处建立了忽略磁极耦合的二自由度磁悬浮系统的数学模型,随后进行IMFAPC与相位超前控制器的电磁轴承系统仿真与实时实验对比。仿真与实验结果表明,当控制系统模型较为复杂时,基于模型设计的控制器的实时控制效果会更差,因为复杂的控制系统难以进行精确建模,电磁干扰等因素难以使用数学表达式定义从而加入到数学建模中,所以基于模型的控制算法在面对复杂的控制系统难以展现良好的控制效果,而无模型自适应预测控制控制算法包含过去现在未来的I/O信息,不仅能使系统快速稳定,还可以在干扰发生时将系统拉回稳态。