电磁激振器的变结构控制

关键词：电磁激振器数学模型变结构控制实时控制
Ａｂｓｔｒａｃｔ
‘１１地ｖｉｂｒａｔｏｒ啪ｐｒｏＨｄｅ ｃｙｃｌｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｂ＇ｔｒＵＯＢ皿ｃ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｔｅｓｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
ｏｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｆｏｒｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｖｍｒａｌｏｒ ｉｓ ａ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｖｉｂｒａｔｏｒ，
为了克服机械式激振器的缺点，我国从６０年初开始研制电动式激振器，１９６４－１９７４年 设计和制造了ＪＺＱ系列励磁型激振器。但由于励磁型激振器工作时，除了需要供给可变频 率的交流电外，为了获得气隙中必要的磁感应密度还需供给直流电【２】，所以使用上不太方 便，性能上受到一些限制。
随着液压技术的发展，电液式激振器也得到了广泛的应用。电液式激振器具有冲程范 围大（在低频行程可高至１５０ｒａｍ），推力大和适应性强的特点。但由于伺服阀本身的失真 和摩擦，台面运动的波形不理想，且频率上限不高［３１。为了克服频率上限的难题，韩意斌 等采用阀芯双自由度阀控制液压缸研制了新型高频电液激振器１４】。
学位论文独创性声明：
本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负 全部责任。
论文作者（签名）：
ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ、，ｉｂｍｔｏｒ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅａｌ．ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
对于本文所研究的电磁激振器非线性控制系统来说，综合控制方法是比较少的。传统 的非线性控制方法，如全局线性化和线性化解耦等方法，要求系统满足一些很强的条件。 本文将采用一种容易实现的并能克服系统非线性的控制方法一变结构控制算法，对电磁力 实现精确的控制，并使系统具有自我调节的能力。
变结构控制系统在５０年代就有了相当的研究现在已形成了一种学科体系，但在国内变 结构控制方法在控制电磁激振器方面的应用不多，可查阅的文献也不多。可见研究电磁激 振器变结构控制系统的实际应用具有一定的理论价值和意义。
但是当系统遇到大的外界扰动或产生不平衡力时，会出现一些线性模型预料不到和无 法解释的现象，线性模型将不再适用，更精细的研究就必须采用非线性模型。近年来国内 外开展了这方面的非线性动力学特性和控制的研究工作。随着国内外展开的对电磁激振器 的非线性动力学特性研究的深入，电磁激振器的非线性控制正日益获得重视。
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｉｓ ｈｏｗ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｐｒｅｃｉｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ Ｏｒ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｗｉ也ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｎｙ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｏｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐ１翟髓ｃｅ ｉｓ ａｎｏｔｈｅｒ
本论文首先对电磁激振器进行了数学建模并结合电磁铁的一些特性，建立了 电磁激振器变结构控制系统的数学模型；利用Ｄｙｍｏｌａ软件进行了系统的仿真并 引入了ＭＡＴＬＡＢ中ＲＴＷ的概念，进行了电磁激振器的变结构控制系统的半实 物控制实验，并对ＰＩＤ控制方案和变结构控制方案所取得的效果进行了比对。
通过对照实验证明，采用变结构控制算法后，电磁激振器的激振力明显稳定， 并且控制性能及自动化程度都有很大的提高，实现了预期的效果。
ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｗｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｅｌｅｅ缸ｏｒｎａｇｎｅｔｉｃ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｅｘｐ幽ｅＩ】晒． ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ
ｆｉｒｓｔｌｙ姚ｕｐ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
河海大学 硕士学位论文 电磁激振器的变结构控制 姓名：杨清华 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：汤炳新
20080301
摘要
激振装置使结构产生周期性振动，能够进行振动测试或为振动机械提供激振 力等。电磁激振器是一种非接触式激振器，直接利用电磁力作为激振力，由于电 磁激振器具有工作频带宽、体积和重量较小、激振力自重比大等优点，并配合适 当的仪器，如信号发生器、功率放大器等，在生产和生活中得到了广泛的应用。 目前，电磁激振器主要存在的主要问题是如何降低功耗、提高自动化程度，尤其 是振幅或激振力的精确控制。另外，随着现代控制理论的丰富，涌现中很多新的 控制方法，这些控制方法有待应用于工程实践。因此，本文设计了电磁激振器激 振力的变结构控制系统并结合仿真和实验证了控制算法的可行性。
ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒ０１ ａｎｄ
ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｂｙ ｔｈｅ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ，
ｍｅｔｈｏｄ啪ｍａｋｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
２。０孑年，；月“日
学位论文使用授权说明
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目前国内外对电磁激振器非线性系统控制的理论研究很多并形成了一些专利技术，具 有代表性的控制方法有：ＰＩＤ、＾乙、模糊控制、神经网络控制、ＳＭＣ（滑模控制）。
ＰＩＤ控制是最早发展起来的控制策略，其算法简单，参数容易调整，可靠性高。由于 一般的模拟ＰＩＤ缺乏控制器参数的自我调节，不能适应电磁激振器非线性特性，近年来涌 现出许多的新型ＰＩＤ控制器，如数字Ｐ∞控制器、参数自适应ＰＩＤ控制器【８】和模糊ＰＩＤ控 制器等。Ｆｒａｎｇｏｓ设计了电磁激振器的电流环数字ＰＩ控制器，通过采样电流和电压得到目 标函数并采用最小二乘法计算ＰＩ参数，这种控制方法有效地减少了系统阶跃响应的调节时 间【９】。积分控制的优点是可以降低系统的稳态误差，但跟踪高速频繁换向的信号时往往会
国内的学者魏高等利用模糊控制理论设计了柴油机燃料注入系统中的电磁激振器控 制系统，首先根据经验确定系统的跟踪误差的模糊集，根据相应的模糊判决得出了控制量 的确切值，实验证明这种模糊控制算法克服了系统的非线性，提高了系统的动态响应性能
［１２１。
神经网络控制系统是由大量广泛连接的神经元组成的复杂网络系统，此系统具有很强 的自适应学习能力。ＣａｏＳｈｕｙｉｎｇ等提出了用动态循环神经网络（ＤＲＮＮＨ）控制器最前馈， 用来补偿磁滞带来的影响；ＰＤ控制器作为反馈控制器用来减小跟踪误差的控制方法，使 电磁激振器的振幅跟踪误差得到了很大程度的削减１１ ３】。
ｉｔ ｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｂａｎｄｗｉｄ山，ｗｉｔｈ ｌｅｓｓ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｗｅｉｇｈｔ．Ｉｔ ｃａｎ ａｌｓｏ ｌｉｎｋ、ｖｉｍ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｅｔｅ．Ｓｏ ｉｔ ｈａｓ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ
由于电磁激振器的磁极气隙不均匀、现有电磁激振器运行稳定性差和衔铁与铁芯之间 气隙面容易变化等因素的存在使激振力存在非线性的环节，激振力很难达到精确地控制， 从而限制了电磁激振器的性能。所以，如何利用现有的控制方法实现激振力的精确控制已 经是国内外学者研究的一个热点。
１
河海大学工学硕士论文
电磁激振器的变结构控制
搔琢经 论文作者（签名）：
二。瞬弓月“日
第一章绪论
第一章绪论
１．１课题的提出、目的和意义
国内外生产和使用激振器的厂家很多，根据工作原理激振器可分为机械式、电磁式、 电动式和电液式等多种型式。激振器类型的演变也代表着工业机械化以及自动化程度的提 高。
机械式激振器是最早发展起来的激振装置，在２０世纪５０年代得到了广泛的应用，如振 动球磨机、振动落砂机和振动成型机。其中常用的离心式激振器的激振力频率由电动机转 速决定，通常使用直流电机，可实现无级调速，激振力大小与偏心质量和偏心距成正比， 与转速的平方成正比。机械式激振器构造简单、便于加工制造、在相同激振力情况下耗功 率小效率高，因此它在工业生产中还有广泛的应用，如矿山机械中使用的Ｊｚ系列座式激 振器【ｎ。但其获得恒力比较困难，用于振动试验的不多，且体积大较笨重，运输安装不便。
１．２国内外研究现状
１．２．１国内外电磁激振器的控制方法研究
电磁激振器是一个典型的非线性系统，具有开环不稳定性，需要进行闭环控制才能使 其稳定在工作点处，它存在着众多内在的非线性因素：电磁铁的非线性力一电流、位移特 性、铁芯材料磁饱和与磁滞、执行机构的饱和导致的电流幅值以及变化率是有限的等等。
电磁激振器的模型有线性和非线性之分。以前总是采用在工作点处线性化的方法【６１， 利用线性系统理论来分析系统动力学特性并设计控制器。这样的近似在系统稳定工作时是 合理的，因为此时衔铁的位移和控制电流的变化都是在工作点的一个小区域内，线性假设 可以得到非常好的效果。Ｆｏｒｒａｉ运用了渐进逼近线性化的方法对电磁激振器进行了辩识和 鲁棒控制，这种方法也成功应用在了人造心脏，电磁制动器的设计中【７】。
２
第一章绪论
失效。Ｈｉｇａｋｉ针对积分控制存在的问题，设计了考虑力延迟的高速度积分控制器，积分控 制器的设计补偿电流的滞后和由于电涡流导致的电磁力的滞后＂川。
鲁棒控制是克服系统的非线性和不确定性的有效控制手段。其中皿，控制思想就是从
状态空间模型返回输入一输出模型，根据频率响应加权确界范数极小化的控制设计手段【１１】。 这种控制思想在电磁激振器非线性控制中尤其适用。
由上面的激振器发展概况可以看出不同种类的激振器都有各自的优点，但又存在不易 克服的缺点，所以研制一种性能优良的并能在工业生产中得到广泛应用的激振器，并对它 进行有效的控制是必要的，电磁激振器就是这样一种激振装置。电磁激振器是一种非接触 式激振器，直接利用电磁力作为激振力，由于电磁激振器具有工作频带宽、体积和重量较小 和激振力自重比大等优点，并可配合适当的仪器，如信号发生器或功率放大器等使用。它 可应用于结构部件或零件的疲劳试验和大型金属结构、零部件的时效处理，在工业生产中 得到了广泛的应用。随着电力电子技术和控制技术的发展，电磁激振器己集电力电子器件、 控制、驱动和保护为一身。我国已经研制了很多新型的电磁激振器，如ＧＺ系列可控硅电 磁高频激振器，具有Ｖ型气隙工作面的电磁激振嚣等１５】。
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｖｉｂｒａｔｏｒ ａｎｄ
ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｌｌａｌｅｔｏｒｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｖｉｂｒａｔｏｒ．Ｎｅｘｔ ｗｅ ｕ∞
Ｄｙｍｏｌａ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｌ雠ＭＡＴＬＡＢ ｔｏ ｄｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．１１地
1河海大学工学硕士论文电ห้องสมุดไป่ตู้激振器的变结构控制对于电磁激振器目前国内主要采用的控制器是常规pi和pid控制但由于激振器激振的工件力学特性的改变具有不确定性工件的参数也会存在变化这时pid控制器只有根据对象参数的变化不断重新调整控制器参数值才能达到良好的控制效果因此仅仅使用常规pid调节是不够的需要采用自适应控制克服系统的不确定性
对于电磁激振器目前国内主要采用的控制器是常规ＰＩ和ＰＩＤ控制，但由于激振器激 振的工件力学特性的改变具有不确定性，工件的参数也会存在变化，这时ＰＩＤ控制器只有 根据对象参数的变化，不断重新调整控制器参数值，才能达到良好的控制效果，因此仅仅 使用常规ＰＩＤ调节是不够的，需要采用自适应控制克服系统的不确定性。