主动磁力轴承(AMB,以下简称磁力轴承)是一种新颖的支承部件,具有无摩擦、无磨损、无需润滑及寿命长等一系列传统滚动轴承和滑动轴承所无法比拟的优点,受到国内外学术界和工业领域的广泛关注,也因此成为轴承行业的研究热点。磁力轴承必须在控制系统的协助下才能正常工作,控制器性能的好坏直接影响到控制的动态性能和控制精度。 在磁力轴承系统的研究中,控制器的设计是其中至关重要的一环。目前,磁力轴承的控制器设计通常是在平衡点附近将轴承模型进行线性化,然后按照线性理论设计PID控制器。但是,由于磁力轴承具有本质不稳定性、非线性和参数不确定性,常规的线性控制器往往不能达到控制要求,同时,来自负载的未知扰动也会影响系统性能,最终导致传统PID控制器很难取得理想的控制效果,甚至控制失败。 文章介绍了单自由度磁力轴承的工作原理,推导了差动激磁磁力轴承的力学模型,建立了转子的运动方程。在MATLAB仿真环境下进行了PID控制仿真,仿真结果表明PID控制仅适用于平衡点附近的控制。针对磁力轴承的非线性特性,采用模糊控制可以扩大转子的起浮范围。本文在模糊控制的基础上研究了模糊PID控制即参数自调整Fuzzy-PID控制和Fuzzy-PID双模控制,仿真表明,模糊PID控制能改善转子起浮的动态性能。 利用神经网络的高度非线性映射能力,本文设计了磁力轴承的单神经元模糊PID控制器:当系统偏差较大时,模糊控制器起主要的调节作用,以提高系统的动态响应性能;当系统偏差较小时,单神经元PID控制器和模糊控制器同时起作用。仿真表明控制器克服了模糊控制存在稳态偏差的不足,保证了控制系统的快速性和稳态特性,并增强了系统抗负载扰动的能力。随后讨论了基于BP神经网络的PID控制器,并与基本模糊控制器相结合构成神经网络模糊PID控制器,仿真表明该控制器能取得比传统PID控制器更好的控制效果。 根据磁力轴承的控制系统模型,介绍了磁力轴承数字控制系统的硬件设计(控制器、功率放大器、位移传感器、滤波器、A/D、D/A)和控制算法流程,并进行了实验研究。