一种基于扩张状态观测器的磁悬浮球系统预测跟踪控制方法技术方案

一种基于扩张状态观测器的磁悬浮球系统预测跟踪控制方法，包括以下步骤：1)建立磁悬浮球系统模型；2)将通过ESO估计得到的总扰动通过前向补偿的方式消除其对系统的不利影响；3)根据预测方程获得输出预测值，并定义预测控制性能指标；4)通过将性能指标最小化，求得系统最优控制输入，完成轨迹跟踪任务。本发明专利技术将不可测的状态变量通过扩张状态观测器(ESO)估计得到，更符合于工程实际的应用；还可以通过ESO得到总扰动的估计值，将其通过前馈控制的方式补偿，从而提高系统的抗干扰能力；MPC控制器可以使系统跟踪上期望轨迹。

A predictive tracking control method of Maglev System Based on extended state observer

【技术实现步骤摘要】
一种基于扩张状态观测器的磁悬浮球系统预测跟踪控制方法
本专利技术涉及磁悬浮球系统的轨迹跟踪领域，具体涉及一种基于扩张状态观测器的磁悬浮球系统预测跟踪控制方法，主要适用于系统部分状态不能由传感器直接测得且易受外部扰动影响的磁悬浮球系统。
技术介绍
磁悬浮是一种通过非接触模式悬挂物体的技术。该技术消除了运动部件和静止部件之间的机械接触，因此它具有无摩擦、无磨损、无噪音、寿命长等一系列优点。随着控制理论以及新型电磁材料等学科的发展，磁悬浮技术也取得了飞速发展。目前，磁悬浮技术在工业领域得到了广泛的应用，如磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁浮隔振器、微电子封装等。因此，磁悬浮球系统轨迹跟踪控制的研究成果，不仅为磁悬浮系统的运动控制增添了理论成果，而且为磁悬浮系统的实际应用打下坚实的基础。模型预测控制(MPC)作为一种先进控制方法，具有控制效果好，鲁棒性强，可有效克服系统的不确定性并能显式处理系统约束等优点，然而，磁悬浮球系统是一个典型的强非线性，开环不稳定系统，在未建模动态、模型参数摄动、外加干扰和测量噪声的作用下，预测模型往往很难真实反映被控对象的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于扩张状态观测器的磁悬浮球系统预测跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n1)建立磁悬浮球系统模型；/n定义m为磁悬浮小球质量，g为重力加速度，h为电磁铁表面与钢球之间的瞬时间隙，i为通过电磁线圈的瞬时电流，F为电磁力，u为施加到电磁线圈的受控电压，R为电磁线圈的等效电阻，L为电磁线圈的自感，K为电磁线圈的互感，则根据物理定律将磁悬浮球系统建模为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于扩张状态观测器的磁悬浮球系统预测跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)建立磁悬浮球系统模型；
定义m为磁悬浮小球质量，g为重力加速度，h为电磁铁表面与钢球之间的瞬时间隙，i为通过电磁线圈的瞬时电流，F为电磁力，u为施加到电磁线圈的受控电压，R为电磁线圈的等效电阻，L为电磁线圈的自感，K为电磁线圈的互感，则根据物理定律将磁悬浮球系统建模为：



对电磁力F(i,h)在平衡点(i0,h0)泰勒级数展开如下
F(i,h)＝F(i0,h0)+ki(i-i0)+kh(h-h0)+O(i,h)(2)
其中F(i0,h0)＝mg，O(i,h)是F(i,h)的高阶项；
于是，系统(1)改写为



令h＝x1，定义状态变量x＝[x1x2]T，磁悬浮球系统的状态空间方程表示为



其中C＝[10]，y是测量输出，此项视为系统的总扰动，包括系统未建模动态、线性化误差以及外部干扰；
2)扩张状态观测器的设计；
针对系统(4)，将总扰动d扩张成一个新的状态变量，即x3＝d，则得到的扩张状态系统表示为



其中
设采样周期为Ts，则系统(4)的离散时间模型表示为



其中Cd＝C；
扩张状态系统(5)的离散时间模型表示为



其中
对系统(7)设计扩张状态观测器如下



其中为扩张状态观测器的状态量，为观测器估计输出，L为需要设计的观测增益矩阵；
3)闭环控制器设计；
将上述由ESO估计得到的系统状态估计值以及总扰动估计值综合到系统控制器设计中；
结合式(6)和式(8)，忽略总扰动d，得到名义系统的增量离散时间预测模型



其中为k+1步的状态估计值增量，为k步的状态估计值增...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军晓，陈林杰，赵磊，俞立，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33