基于改进自抗扰的永磁电磁混合悬浮型磁浮球控制方法.pdf
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1、第 20 卷 第 11 期2023 年 11 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 11November 2023基于改进自抗扰的永磁电磁混合 悬浮型磁浮球控制方法秦耀1,2,杨杰1,2,3,江聚松1,2,高涛1,2(1.江西理工大学 永磁磁浮与轨道交通研究院,江西 赣州 341000;2.江西省磁悬浮技术重点实验室,江西 赣州341000;3.中国科学院 赣江创新研究院,江西 赣州 341000)摘要:永磁电磁混合悬浮(PEMS)系统在降低能耗和增大悬浮气隙方面优势明显,但其非线性特征和控制难
2、度也相对增加。针对PEMS系统中未知干扰和输入信号噪声引起的控制性能下降问题,提出一种基于改进型Levent微分器(ILevent)的自抗扰控制(ADRC)方法。首先,结合电磁悬浮(EMS)型磁浮球系统的控制结构,搭建PEMS型磁浮球控制系统试验台,并对PEMS型磁浮球系统进行动力学建模,判断系统的稳定性和能观能控特性;其次,采用双曲正切函数对Levent微分器进行改进,降低输出信号抖振,分析改进前后Levent微分器以及ADRC中TD微分器的输出性能,充分融合Levent微分器对信号噪声的鲁棒性和ADRC对干扰的估计与补偿优势,设计了ILevent-ADRC控制器;并利用带约束因子的模拟退火
3、粒子群(SA-CFPSO)优化算法有效的解决了ILevent-ADRC参数多、关联性强等制约问题;最后,分别对传统ADRC、PID控制和ILevent-ADRC方法在PEMS型磁浮球控制试验台上进行对比实验,验证所提方法的有效性和优越性。实验结果表明:相比于传统ADRC和PID控制方法,所提ILevent-ADRC方法有效提升了PEMS型磁浮球系统的控制性能,不仅能够有效地抑制测量信号噪声对系统的影响,而且还对系统悬浮气隙大范围变化和运行过程中受到的未知扰动具有更强的适应性和鲁棒性。研究成果为磁悬浮智能控制技术的实际应用提供了理论参考,同时对于永磁电磁混合悬浮这一类复杂的非线性系统的控制,也具
4、有较好的参考价值。关键词:PEMS型磁浮球控制系统;ILevent-ADRC方法;SA-CFPSO优化算法;控制性能中图分类号:U125 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)11-4333-11Permanent magnet electromagnetic hybrid levitation magnetic levitation ball control method based on improved auto disturbance rejectionQIN Yao1,2,YANG Jie1,2,3,JIANG Jusong1,
5、2,GAO Tao1,2(1.Permanent magnet maglev and rail transit Research Institute,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Key Laboratory of Maglev Technology of Jiangxi Province,Ganzhou 341000,China;3.Ganjiang Innovation Academy,Chinese Academy of Sciences,Ganzhou 341000,China)A
6、bstract:Permanent magnet electromagnetic hybrid suspension(PEMS)system has obvious advantages in 收稿日期:2022-12-23基金项目:国家自然科学基金资助项目(62063009);中国科学院赣江创新研究院项目(E255J001)通信作者:杨杰(1979),男,安徽蚌埠人,教授,博士,从事轨道交通控制、智能控制研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222428铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月reducing energy consumpt
7、ion and increasing suspension air gap,but its nonlinear characteristics and control difficulty are relatively increased.Aiming at the problem of control performance degradation caused by unknown interference and input signal noise in the PEMS system,an auto disturbance rejection control(ADRC)method
8、based on improved Levent differentiator(ILevent)was proposed.Firstly,combining the control structure of the electromagnetic levitation(EMS)type magnetic levitation ball system,the PEMS type magnetic levitation ball control system test bed was built,and the dynamic modeling of the PEMS type magnetic
9、levitation ball system was carried out to judge the stability and the characteristics of the system.Secondly,the hyperbolic tangent function was used to improve the Levent differentiator,reduce the output signal chattering,analyze the output performance of the Levent differentiator before and after
10、the improvement and the TD differentiator in ADRC,fully integrate the robustness of the Levent differentiator to signal noise and the advantages of ADRC to interference estimation and compensation,and design the ILevent-ADRC controller.The simulated annealing particle swarm optimization(SA-CFPSO)alg
11、orithm with constraints was used to effectively solve the constraints of ILevent-ADRC,such as multiple parameters and strong correlation.Finally,the traditional ADRC,PID control and ILevent-ADRC methods were compared on the PEMS-type magnetic levitation ball control test-bed to verify the effectiven
12、ess and superiority of the proposed methods.The experimental results show that compared with the traditional ADRC and PID control methods,the proposed ILevent-ADRC method effectively improves the control performance of the PEMS-based magnetic levitation system.It can not only effectively suppress th
13、e impact of measurement signal noise on the system,but also has stronger adaptability and robustness to the large range change of the levitation air gap of the system and the unknown disturbance in the operation processb.The research results can provide a theoretical reference for the practical appl
14、ication of magnetic suspension intelligent control technology,and also have a good reference value for the control of complex nonlinear systems such as permanent magnet electromagnetic hybrid suspension.Key words:PEMS magnetic levitation ball control system;ILevent-ADRC method;SA-CFPSO optimization
15、algorithm;control performance 磁悬浮技术是利用“同性相斥,异性相吸”的原理,使悬浮体具有抗拒地心引力的能力,具有无接触、适用范围广、可实现主动控制等特点1,在磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮管道物流等各个领域都有着广阔的应用前景。磁浮球系统是一个典型的单自由度系统,可作为研究其他较复杂、多自由度磁悬浮系统的基础平台。在电磁悬浮(Electro-Magnetic Suspension,EMS)型磁浮球系统中引入永磁体,形成“永磁磁场为基础承载,电磁控制为辅助手段”的控制方式,可大幅度降低悬浮功耗、增大悬浮气隙。磁浮球系统本身就是一个复杂的非线性时滞系统,而永磁体磁场具
16、有不可控和非线性特点,在磁浮球系统中引入永磁体,会导致构成的永磁电磁混合悬浮(Permanent magnet Electro-Magnetic hybrid Suspension,PEMS)型磁浮球系统的非线性加剧、控制难度增大。特别是电磁线圈电磁特性因温漂、外部传感器检测水平等因素引起的噪声干扰,易导致系统响应超调、稳定性偏差等不足,进而存在失稳风险2。近年来,专家学者们在磁悬浮系统的控制方法上做了大量的探索和研究,如:分段和改进PID控制3、模糊控制4、神经网络控制5、滑模变结构控制6等,这些方法在不同方面提高了磁悬浮系统的控制性能。自抗扰控制(Active Disturbance Re
17、jection Control,ADRC)技术能够将系统中受到的所有扰动都归结为“未知扰动”,并综合被控对象的输入和输出信号对其进行估计与补偿,具有较强的鲁棒性,且不完全依赖被控对象精确模型7。将ADRC应用于磁悬浮控制领域也有学者做了一些研究,SUN 等8将自抗扰控制器应用于永磁悬架系4334第 11 期秦耀,等:基于改进自抗扰的永磁电磁混合悬浮型磁浮球控制方法统,使永磁悬架系统具有较强的鲁棒性和跟踪能力;黄翠翠等9将自抗扰技术应用于电磁悬浮隔振与机械隔振相结合的复合隔振系统,满足了宽频带的振动控制需求;李冰林等10提出一种滑模自抗扰解耦控制方法,应用于多自由度磁悬浮轴承中,实现了各自由度的
18、解耦控制;何凌云等11设计一种双环自抗扰控制器应用于单点悬浮系统,提高了系统的抗干扰性;XIANG等12设计了包括位移控制回路和加速度控制回路的自抗扰控制模型,提高了静电悬浮系统鲁棒性。虽然 ADRC技术已出现在磁悬浮控制领域,但研究方法大多针对电磁悬浮控制系统,而且关于外界噪声对悬浮系统ADRC控制的影响研究也不多。Levant微分器不仅对输入信号具有很好的跟踪与求导效果,还对信号的测量误差和输入噪声具有鲁棒性13。本文引用双曲正切函数对 Levent微分器进行改进,降低输出抖振,并将改进后的 Levent(Improve of Levent,ILevent)微分器与ADRC相结合,应用于P
19、EMS型磁浮球控制系统,采用ILevent微分器对输入环节和测量变送环节的信号进行提取,既提高了ADRC的性能,又抑制了系统的输入信号噪声;考虑到ILevent-ADRC参数较多,且关联性强,利用带约束因子的模拟退火粒子群(Simulated Annealing-Constraint Factor Particle Swarm Optimization,SA-CFPSO)优化算法对控制参数进行整定,为实验调参提供大致参考范围;通过与 PID 控制方法和ADRC 方法进行仿真分析和实验对比,验证所提ILevent-ADRC方法的有效性和优越性。1 PEMS 型磁浮球控制系统结构与模型在EMS型磁
20、浮球结构中引入永磁体,可降低悬浮功耗、提高系统的承载能力和增大悬浮气隙。结合 EMS型磁浮球系统的控制结构,搭建如图 1所示的PEMS型磁浮球控制系统结构,结合ADRC和 Levent 微分器的特性,分析不同控制方法对PEMS 型磁浮球系统的控制效果。被控对象参数见表1。PEMS型磁浮球控制系统由悬浮体(永磁体和铁磁性小球组成)、霍尔传感器、信号处理电路、电磁铁、功率放大器和控制器组成。霍尔传感器检测磁场强度间接获取悬浮气隙信号,经信号处理电路反馈到控制器;控制器再根据给定值确定输出PWM信号的占空比,经功率放大器控制电磁铁电流大小;电磁铁产生动态磁场与永磁体静态磁场相叠加,使悬浮体平衡重力,
21、实现稳定悬浮。为了简化计算过程,PEMS型磁浮球系统在建模前可进行如下假设1415:1)忽略悬浮体和电磁铁中的磁阻,磁势均匀地分布于气隙处;2)忽略铁芯的磁化强度及漏磁、剩磁和磁饱和现象;表1控制对象参数Table 1Parameters of the controlled object符号mNRmShmp含义/单位悬浮体质量/kg电磁铁线圈匝数/匝总电阻/电磁铁磁极面积/mm2永磁体厚度/mm取值1.250010415.4830符号0i0Hcrx0含义/单位真空磁导率H/m平衡点电流/A永磁体矫顽力A/m永磁体相对磁导率平衡气隙/mm取值410-70800 K115图1PEMS型磁浮球控制系
22、统结构Fig.1PEMS maglev ball control system structure4335铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月3)对悬浮体受力分析时忽略其他的干扰力。基于以上假设,PEMS型磁浮球系统动态模型可表示为:md2x()tdt2=mg-F()xiu()t=Rmi()t+Lidi()tdt-20NS()Ni()t+Hchmp()2x()t+hmpr2dx()tdtF()xi=0SNi()t+Hchmp2x()t+hmpr2mg=F()x0i0(1)其中:g为重力加速度;F(xi)为作用到悬浮体上的磁力;x(t)为悬浮间隙;u(t)为线圈的输入电压;i(
23、t)为线圈输入电流。对式(1)所表示的系统线性化处理,在平衡点(x0i0)处进行泰勒展开并舍去高阶项,可得方程组:mDx(t)=kxDx(t)-kiDx(t)Du(t)=RmDi(t)+L0Di(t)-kiDx(t)(2)其中:L0=0N2S2x0+hmp/rkx=40S()Ni0+Hchmp2()2x0+hmp/r3ki=20NS()Ni0+Hchmp()2x0+hmp/r2根据式(2)可得到悬浮气隙Dx对输入电压Du的传递函数为:DxDu=-kimL0S3+RmL0S2-kxRmmL0(3)系统的特征方程为:S3+RmL0S2-kxRmmL0=0(4)由Routh判据可知:PEMS型磁浮球
24、系统为不稳定系统;由秩判据可知,系统能观且能控,通过设计反馈控制器和观测器可以使系统达到稳定。一般情况下RmL0,结合表1实验平台参数,可实化式(3)表示的输出气隙Dx对输入电压的Du标称传递函数:DxDu-kimRmS2-kxm=-2.833S2-4 638.6(5)式(5)离散化后的表达式如下:Dx(z)Du(z)=-1.417e-6z+1.417e-6z2-2.005z+1(6)2 控制器设计2.1ADRC设计ADRC技术由韩京清研究员所提出,有效地弥补 了 PID 控 制 上 鲁 棒 性 较 差、控 制 饱 和 等 不足1617。ADRC由微分跟踪器(TD)、非线性扩张状态观测器(ES
25、O)和非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)3个部分组成。以PEMS型磁浮球系统为研究对象,设计离散化2阶ADRC控制器。1)TD能尽快地跟踪输入信号,提取出近似的微分信号,主要用来解决输入信号发生突变时系统响应超调与快速性之间的矛盾。离散化的TD表达式为:v1(k+1)=v1(k)+hv2(k)v2(k+1)=v2(k)+hfhfh=fhan(v1(k)-v(k)v2(k)r0h0)(7)其中:h为积分步长;r0h0为函数控制参量;fhan为最速综控制综合函数。2)ESO是自抗扰控制器的关键组成部分,通过混合悬浮系统的控制器输出和系统实际输出信息就可以在线实时估计“内外总扰动”,利用式(5)
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