• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

基于干扰观测器的磁悬浮球系统全局快速终端滑模控制

魏静波 罗浩 关子津

魏静波, 罗浩, 关子津. 基于干扰观测器的磁悬浮球系统全局快速终端滑模控制[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(4): 836-844. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210941
引用本文: 魏静波, 罗浩, 关子津. 基于干扰观测器的磁悬浮球系统全局快速终端滑模控制[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(4): 836-844. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210941
WEI Jingbo, LUO Hao, GUAN Zijin. Global Fast Terminal Sliding Mode Control for Maglev Ball System Based on Disturbance Observer[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(4): 836-844. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210941
Citation: WEI Jingbo, LUO Hao, GUAN Zijin. Global Fast Terminal Sliding Mode Control for Maglev Ball System Based on Disturbance Observer[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(4): 836-844. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210941

基于干扰观测器的磁悬浮球系统全局快速终端滑模控制

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210941
基金项目: 装备预研领域基金重点项目(61407210206)
详细信息
    作者简介:

    魏静波(1986—),男,副教授,研究方向为磁悬浮技术及航天器动力学与控制,E-mail:weijb5@mail.sysu.edu.cn

  • 中图分类号: TP27

Global Fast Terminal Sliding Mode Control for Maglev Ball System Based on Disturbance Observer

  • 摘要:

    为解决磁悬浮球系统模型不确定性和易受外部干扰影响的问题,提出一种基于终端滑模干扰观测器的全局快速终端滑模控制(GFTSMC)方法. 首先,分析了磁悬浮球系统的数学模型并建立动态方程;然后,设计终端滑模干扰观测器(TSMDO),用以观测和估计系统所受到的扰动,经证明,该观测器对扰动的估计误差能在有限时间内收敛;其次,为克服系统不确定性和外部干扰的影响,设计了基于终端滑模干扰观测器的全局快速终端滑模控制器,可以实现系统的全局快速收敛,所设计的控制律不含切换项,能削弱抖振,以提高系统的抗干扰性和鲁棒性;最后,对所提出的TSMDO-GFTSMC进行了仿真验证,结果表明:与基于扩张状态观测器的连续滑模控制方法相比,采用本文方法,磁悬浮小球的起浮响应时间缩短0.38 s,位移偏差减小90%,跟踪误差由0.420 mm减小为0.032 mm;本文方法提高了对干扰的观测精度,优化了磁悬浮球系统的控制效果,增强了系统的鲁棒性.

     

  • 图 1  磁悬浮球系统结构

    Figure 1.  Structure of maglev ball system

    图 2  基于TSMDO-GFTSMC的磁悬浮球控制模型

    Figure 2.  Maglev ball control model based on TSMDO-GFTSMC

    图 3  小球在理想条件下起浮响应轨迹

    Figure 3.  Response trajectory of ball floating under ideal conditions

    图 4  外部负载扰动下磁悬浮小球响应轨迹

    Figure 4.  Response trajectory of maglev ball under external load disturbance

    图 5  内部参数扰动下磁悬浮小球响应轨迹

    Figure 5.  Response trajectory of maglev ball under internal parameter disturbance

    图 6  复合扰动下磁悬浮小球响应轨迹

    Figure 6.  Response trajectory of maglev ball under complex disturbance

    图 7  外部负载扰动下磁悬浮小球正弦响应轨迹

    Figure 7.  Sinusoidal response trajectory of maglev ball under external load disturbance

    图 8  锯齿波扰动下观测器对扰动的估计与观测误差

    Figure 8.  Estimated and observed disturbance errors of observer under sawtooth waves

    表  1  磁悬浮球系统相关参数

    Table  1.   Relevant parameters of maglev ball system

    参数符号数值
    小球质量 m/g 170
    小球半径 r/m 0.03
    线圈电感 L/mH 46.7
    线圈电阻 R 13.577
    线圈匝数 N/匝 1057
    平衡位置 δ0/m 0.0425
    平衡位置电流 i0/A 0.633
    真空磁导率 μ0/(H·m−1) 4π×10−7
    磁导截面积 S/m2 9π×10−4
    下载: 导出CSV
  • [1] 熊嘉阳,邓自刚. 高速磁悬浮轨道交通研究进展[J]. 交通运输工程学报,2021,21(1): 177-198.

    XIONG Jiayang, DENG Zigang. Research progress of high-speed maglev rail transit[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2021, 21(1): 177-198.
    [2] 刘强,赵明师,韩邦成,等. 磁悬浮框架飞轮磁轴承技术研究与发展现状[J]. 宇航学报,2019,40(11): 1251-1261.

    LIU Qiang, ZHAO Mingshi, HAN Bangcheng, et al. Research and development status of magnetic bearing technology on magnetically suspended gimballing flywheel[J]. Journal of Astronautics, 2019, 40(11): 1251-1261.
    [3] DING H F, ZHU H Q, HUA Y Z. Optimization design of bearingless synchronous reluctance motor[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, 28(3): 1-5.
    [4] GHOSH A, KRISHNAN T R, TEJASWY P, et al. Design and implementation of a 2-DOF PID compensation for magnetic levitation systems[J]. ISA Transactions, 2014, 53(4): 1216-1222. doi: 10.1016/j.isatra.2014.05.015
    [5] 彭辉,徐锦华,侯海良. 模糊控制在磁悬浮球系统实时控制中的应用[J]. 控制工程,2009,16(3): 278-281.

    PENG Hui, XU Jinhua, HOU Hailiang. Application of fuzzy control to real-time control of magnetic levitation ball system[J]. Control Engineering of China, 2009, 16(3): 278-281.
    [6] 朱坚民,沈正强,李孝茹,等. 基于神经网络反馈补偿控制的磁悬浮球位置控制[J]. 仪器仪表学报,2014,35(5): 976-986.

    ZHU Jianmin, SHEN Zhengqiang, LI Xiaoru, et al. Magnetic levitation ball position control based on neural network feedback compensation control[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2014, 35(5): 976-986.
    [7] 李广. 磁悬浮球系统的鲁棒控制研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2013.
    [8] 沈莹雅,张建生,张远,等. 主动磁悬浮轴承的鲁棒反演滑模控制[J]. 机械制造与自动化,2016,45(1): 194-198.

    SHEN Yingya, ZHANG Jiansheng, ZHANG Yuan, et al. Robust backstepping sliding-mode control of active magnetic bearing[J]. Machine Building & Automation, 2016, 45(1): 194-198.
    [9] 刘金琨,孙富春. 滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J]. 控制理论与应用,2007,24(3): 407-418.

    LIU Jinkun, SUN Fuchun. Research and development on theory and algorithms of sliding mode control[J]. Control Theory & Applications, 2007, 24(3): 407-418.
    [10] 张井岗,方线伟,赵志诚. 磁悬浮球系统的分数阶滑模控制[J]. 南京理工大学学报,2014,38(1): 72-77.

    ZHANG Jinggang, FANG Xianwei, ZHAO Zhicheng. Fractional order sliding mode control of magnetic levitation ball system[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2014, 38(1): 72-77.
    [11] 赵磊,王军晓,黄光普,等. 基于扩张状态观测器的磁悬浮球连续滑模控制[J]. 高技术通讯,2020,30(5): 480-486.

    ZHAO Lei, WANG Junxiao, HUANG Guangpu, et al. Continuous sliding mode control of magnetic levitation ball based on extended state observer[J]. Chinese High Technology Letters, 2020, 30(5): 480-486.
    [12] 赵磊. 磁悬浮球系统滑模控制方法研究[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2020.
    [13] 王军晓,陈林杰,俞立. 基于等价输入干扰滑模观测器的磁悬浮球系统模型预测控制[J]. 控制理论与应用,2021,38(1): 137-146.

    WANG Junxiao, CHEN Linjie, YU Li. Model predictive control for magnetic levitation ball system based on equivalent input disturbance sliding mode observer[J]. Control Theory & Applications, 2021, 38(1): 137-146.
    [14] 孙佃升,章跃进. 一种抑制初始微分峰值现象的改进型三阶时变参数扩张状态观测器[J]. 电机与控制学报,2017,21(9): 55-62.

    SUN Diansheng, ZHANG Yuejin. Improved third-order time-varying parameters nonlinear ESO restraining the derivative peaking phenomenon[J]. Electric Machines and Control, 2017, 21(9): 55-62.
    [15] 韩俊庆,吴爱国,董娜. 基于滑模干扰观测器的机械臂终端滑模控制[J]. 中南大学学报(自然科学版),2020,51(10): 2749-2757.

    HAN Junqing, WU Aiguo, DONG Na. Terminal sliding mode control for robotic manipulator based on sliding mode disturbance observer[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2020, 51(10): 2749-2757.
    [16] CHEN M, WU Q X, CUI R X. Terminal sliding mode tracking control for a class of SISO uncertain nonlinear systems[J]. ISA Transactions, 2013, 52(2): 198-206. doi: 10.1016/j.isatra.2012.09.009
    [17] 李鹏,马建军,郑志强. 采用幂次趋近律的滑模控制稳态误差界[J]. 控制理论与应用,2011,28(5): 619-624.

    LI Peng, MA Jianjun, ZHENG Zhiqiang. Sliding mode control approach based on nonlinear integrator[J]. Control Theory & Applications, 2011, 28(5): 619-624.
    [18] 李鹏. 传统和高阶滑模控制研究及其应用[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2011.
  • 加载中
图(8) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  401
  • HTML全文浏览量:  123
  • PDF下载量:  25
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-23
  • 修回日期:  2022-04-12
  • 网络出版日期:  2023-06-16
  • 刊出日期:  2022-04-22

目录

    /

    返回文章
    返回