超精密磁浮直线运动的非线性耦合建模与解耦控制研究

磁浮直线运动是一种非接触式、无摩擦直线定位运动。在超精密、超洁净、高效率制造设备中具有明显优势和广泛的应用前景。为实现平台的超精密快速运动，一般采用多对电磁铁与电磁直线电机协同工作实现多自由度的运动。然而，一方面由于各电磁力及电机推力之间存在的非常明显的动力学耦合及磁场耦合，我们不但对该耦合的存在形式不了解，相应的解耦控制方法也不得而知；另一方面由于磁极内部存在的磁滞、磁阻、漏磁通、磁饱和涡流等非线性特性，及电磁力的空间分布特性,目前无法做到电磁力的精确控制，这也是无法实现解耦控制的原因之一。尤其是当运动精度达到微米级别时，以上特性的影响更为突出。本项目即拟通过研究磁极内部各种非线性特性的存在形式及其对电磁力精确控制的影响规律，找出电磁力的精确控制方法；查明各电磁力及电机推力间的动力学耦合、磁场耦合形式，建立其耦合模型，并找出相应的解耦控制算法，最终实现运动平台的超精密、快速直线运动。

磁悬浮直线运动是一种非接触、无摩擦的大行程精密直线定位运动，具有广泛的应用前景。为实现精密快速大行程运动，磁浮直线运动一般采用多对电磁铁协同工作以实现悬浮体的稳定悬浮，同时利用电磁直线驱动装置驱动悬浮体作无接触式大行程直线运动。然而，由于各电磁支撑力间存在明显的动力学耦合及磁场耦合，且磁极内部存在磁滞、磁阻、漏磁通等非线性特性，难以实现精密快速的磁浮直线运动。本项目拟通过研究磁极内部各非线性特性的存在形式及其对电磁力精确控制的影响规律，找出电磁力的精确控制方法；查明各电磁支撑力间的动力学耦合、磁场耦合形式，建立其耦合模型，并找出相应的解耦控制算法，最终实现精密、快速大行程磁浮直线运动。. 三年来，取得的成果有：（1）通过研究电磁铁中磁滞、磁阻不均及漏磁通等特性对电磁力的影响规律，建立了电磁力的精确控制模型，设计了一种具有自适应能力的二型模糊控制器，提高了电磁力的控制精度；（2）针对磁浮直线运动的多输入多输出非线性耦合特性，研究了磁浮直线运动的非线性/线性耦合建型，利用实验数据对模型进行了验证；（3）结合有限元分析与实验验证，找出电磁铁间磁场耦合形式主要表现为磁力线互串，可通过采用不同磁铁类型和优化的空间位置设计来减少、隔断磁铁间的磁场耦合；（4）通过分析磁浮直线运动中多个驱动力间的动力学耦合特性，提出了一种将悬浮位置反馈与悬浮力反馈相结合的双反馈解耦控制策略，实现了多个耦合驱动力间的动力学解耦控制；（5）提出了一种主从式变参考的鲁棒模糊自适应解耦控制方法，有效地减少了变参考对磁浮直线运动性能的影响；（6）针对磁浮运动中存在的非线性、不确定性特性，开展了对二型模糊控制、分段模糊集式二型模糊自适应控制的研究，有效提高了磁浮直线运动性能和控制器鲁棒性。课题发表学术论文12篇（仅包括课题负责人为第一作者或者通讯作者的文章），其中SCI收录7篇、EI收录9篇，授权发明专利2项、申请发明专利1项。其中部分论文发表在知名期刊《IEEE Trans. on Fuzzy Systems》（SCI影响因子5.48）、《Control Engineering Practice》（影响因子1.67）、《IEEE Trans. on Magnetics》（影响因子1.42）和《Journal of Central South University》（影响因子0.43）。