• ISSN 0258-2724
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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
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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

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