磁懸浮PID控制畢業(yè)論文

1、 2011屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 材 料 系 、 部： 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名： 單 能 文 指導(dǎo)教師： 易 杰 職 稱： 高級工程師 專 業(yè)： 自 動 化 班 級： 0703班 學(xué) 號： 410070317 2011年6月材料清單1、畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書2、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告3、中期檢查表4、指導(dǎo)教師評閱表5、評閱評語表6、答辯資格審查表7、答辯及最終成績評定表8、畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書湖南工學(xué)院2011屆畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書系：電氣與信息工程系 專業(yè)：自動化 指導(dǎo)教師易 杰學(xué)生姓名單能文課題名稱基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)設(shè)計內(nèi)容：1 了解磁懸浮球控制系

2、統(tǒng)的組成及工作原理。2 掌握PID控制器原理及其熟悉MATLAB軟件。3 利用數(shù)學(xué)建模的方法建立磁懸浮球控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。4 設(shè)計PID控制器并進行MATLAB仿真。5 采用設(shè)計好的控制器對磁懸浮球控制系統(tǒng)實物進行實時控制。設(shè)計任務(wù)：設(shè)計磁懸浮系統(tǒng)的PID控制器及MATLAB仿真擬達到的要求或技術(shù)指標(biāo)設(shè)計PID控制器，對磁懸浮控制系統(tǒng)進行Simulink仿真實現(xiàn)，并將獲得的控制器參數(shù)在實際系統(tǒng)上對模型進行驗證。進度安排起止日期工作內(nèi)容備注2010.12.22011.4.152011.4.172011.4.242011.4.255.202011.5.215.312011.6.16.10收集關(guān)于

3、磁懸浮球控制系統(tǒng)的PID控制器相關(guān)資料，熟悉畢業(yè)設(shè)計課題，并參加畢業(yè)實習(xí)，對畢業(yè)設(shè)計進一步熟悉，為搞好設(shè)計打下基礎(chǔ)。完成總體方案設(shè)計設(shè)計PID控制器并進行MATLAB仿真及實時控制,給出控制曲線和控制器參數(shù)并進行分析編寫畢業(yè)設(shè)計說明書教師評閱設(shè)計,學(xué)生進行總結(jié),畢業(yè)答辯主要參考資料1現(xiàn)代控制工程 盧伯英 電子工業(yè)出版社2先進PID控制及其MATLAB仿真 劉金琨 電子工業(yè)出版社3固高磁懸浮系統(tǒng)與自動控制實驗 實驗教程系列教研室意見年 月 日系主管領(lǐng)導(dǎo)意見年 月 日湖南工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計學(xué)生姓名單能文班級學(xué)號410070317專業(yè)自動化1. 課

4、題的理解與學(xué)習(xí)隨著航天事業(yè)的發(fā)展，模擬微重力環(huán)境下的空間懸浮技術(shù)已成為進行相關(guān)高科技研究的重要手段。目前的懸浮技術(shù)主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束懸浮等，其中電磁懸浮技術(shù)比較成熟。電磁懸浮技術(shù)（Electromagnetic levitation ）簡稱EML技術(shù)。它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產(chǎn)生的渦流來實現(xiàn)對金屬球的懸浮。本課題就屬此范疇。目前，磁懸浮控制應(yīng)用技術(shù)分為數(shù)字控制方式和模擬控制方式。隨著近年來現(xiàn)代控制理論的日趨成熟，同時隨著計算機計算速度的飛躍提高，數(shù)字式控制方式得到越來越多的應(yīng)用。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分

5、控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。在工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展的今天，又出現(xiàn)了許多的新型的控制器如自校正PID、專家自適應(yīng)PID、預(yù)估PID、模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、非線性 PID等新型控制器。本課題屬于數(shù)字PID控制范疇。2. 綜述當(dāng)今，關(guān)于磁懸浮技術(shù)（Magnetic Suspension Technique）的研究與開發(fā)在國內(nèi)外都處于快速發(fā)展之中，其中研究較多的磁懸浮技術(shù)主要有兩類：磁懸浮軸承和磁懸浮列車；而在國外，目前磁懸浮軸承已經(jīng)開始進入工業(yè)應(yīng)用階段。我國從20 世紀(jì)80 年

6、代開始研究磁懸浮軸承技術(shù)，現(xiàn)已取得了一定的研究成果。隨著控制理論的發(fā)展以及對磁懸浮系統(tǒng)性能要求的不斷提高，磁懸浮系統(tǒng)控制器需要實現(xiàn)的控制算法的復(fù)雜程度日漸加大。傳統(tǒng)的模擬控制器雖然具有成本低、速度快、性能穩(wěn)定、對控制算法適應(yīng)良好等優(yōu)點，但存在著參數(shù)調(diào)整不太方便，硬件結(jié)構(gòu)不易改變等缺點，難以滿足用戶日益增高的要求。在磁懸浮系統(tǒng)控制中，普遍采用了基于DSP構(gòu)建的數(shù)控平臺。此平臺難以克服其硬件成本高、開發(fā)同期長、延續(xù)性差、對用戶軟件、硬件能力要求高等缺點。因此，數(shù)字控制算法成為磁懸浮系統(tǒng)控制原理的主流趨勢，而開發(fā)一種低成本、高效率、易開發(fā)、易維護的控制器實驗平臺便成為迫切的需要。計算機技術(shù)的發(fā)展給控

7、制系統(tǒng)開辟了新的途徑，以PC機作為控制器的試驗平臺，免去了對DSP的硬件需求，從而降低了成本，且使用方便，人機界面友好。本課題就是以計算機為控制器設(shè)計平臺，以MATLAB作為控制軟件，以數(shù)字PID算法作為控制原理的基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控制器的設(shè)計。此系統(tǒng)的有成本低，數(shù)據(jù)采集卡不需要自己開發(fā)，開發(fā)周期短，易于維護，參數(shù)易于調(diào)整，操作簡單等眾多優(yōu)點，就研究階段作為控制器的試驗平臺而言，它無疑是比DSP平臺更好的選擇。3. 執(zhí)行（實施）方案（含具體進度計劃）(1) 系統(tǒng)建模：通過對磁懸浮控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，根據(jù)動力學(xué)方程、電學(xué)方程、電學(xué)力學(xué)關(guān)聯(lián)方程以及邊界方程得出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型。

8、(2) Simulink仿真：在MATLAB中建立以上的數(shù)學(xué)模型，并加入PID控制器，進行系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)仿真，給出仿真曲線，得到較好的PID控制參數(shù)。(3) 實時控制：對磁懸浮控制系統(tǒng)用以上控制參數(shù)進行實時控制并驗證控制參數(shù)。(4) 具體進度計劃：總體方案的設(shè)計（1周）設(shè)計PID控制器并進行MATLAB仿真和實時控制，給出控制曲線和控制參數(shù)并分析（5周）編寫畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書（1周）老師評閱設(shè)計（論文），學(xué)生進行總結(jié)，準(zhǔn)備答辯（0.5周）畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯（0.5周）指導(dǎo)教師批閱意見 指導(dǎo)教師(簽名)： 年 月 日湖南工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)工作中期檢查表題目基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控

9、制器設(shè)計學(xué)生姓名單能文班級學(xué)號410070317專業(yè)自動化指導(dǎo)教師填寫學(xué)生開題情況按時作出開題報告學(xué)生調(diào)研及查閱文獻情況進行了調(diào)研，查閱了相關(guān)文獻資料畢業(yè)設(shè)計（論文）原計劃有無調(diào)整無調(diào)整學(xué)生是否按計劃執(zhí)行工作進度是學(xué)生是否能獨立完成工作任務(wù)能獨立完成學(xué)生的英文翻譯情況完成英文翻譯一篇，字?jǐn)?shù)2000字學(xué)生每周接受指導(dǎo)的次數(shù)及時間每周一次畢業(yè)設(shè)計（論文）過程檢查記錄情況有記錄學(xué)生的工作態(tài)度在相應(yīng)選項劃“”認(rèn)真一般較差尚存在的問題及采取的措施：尚未發(fā)現(xiàn)問題。指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日系部意見： 負(fù)責(zé)人簽字：年 月 日湖南工學(xué)院2011屆畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評閱表 系：電氣與信息工程系 專業(yè)：自動

10、化 學(xué)生姓名單能文學(xué) 號410070317班 級0703專 業(yè)自動化指導(dǎo)教師姓名易 杰課題名稱基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計是否同意參加答辯：是 否指導(dǎo)教師評定成績分值：指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日湖南工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱評語表題目基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計學(xué)生姓名單能文班級學(xué)號410070317專業(yè)自動化評閱教師姓名李祖林職稱教 授工作單位評分內(nèi)容具 體 要 求總分評分開題情況調(diào)研論證能獨立查閱文獻資料及從事其他形式的調(diào)研，能較好地理解課題任務(wù)并提出實施方案，有分析整理各類信息并從中獲取新知識的能力。10外文翻譯摘要及外文資料翻譯準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)定內(nèi)容及字?jǐn)?shù)要求。1

11、0設(shè)計質(zhì)量論證、分析、設(shè)計、計算、結(jié)構(gòu)、建模、實驗正確合理。35創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識，有重大改進或獨特見解，有一定實用價值。10撰寫質(zhì)量結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，文字通順，用語符合技術(shù)規(guī)范，圖表清楚，書寫格式規(guī)范，符合規(guī)定字?jǐn)?shù)要求。15綜合能力能綜合運用所學(xué)知識和技能發(fā)現(xiàn)與解決實際問題。20總評分評閱教師評閱意見評閱成績評閱教師簽名日期湖南工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯資格審查表題 目基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計學(xué)生姓名單能文學(xué)    號410070317專 業(yè)自動化指導(dǎo)教師易 杰內(nèi)容綜述：本課題基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計的主要目的是設(shè)計PID控制器對磁懸浮系統(tǒng)進行

12、仿真與控制。這次畢業(yè)設(shè)計的主要步驟和方法：首先對磁懸浮控制系統(tǒng)進行分析，列出系統(tǒng)的運動學(xué)方程、電磁學(xué)方程和邊界方程，由以上方程求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，建立起控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后用MATLAB中的Simulink工具箱對PID控制器進行仿真和參數(shù)整定，最后，再用MATLAB中的Real-Time Control工具箱用所設(shè)計的PID控制器對磁懸浮系統(tǒng)進行實時控制。這次畢業(yè)設(shè)計選題意義重大：現(xiàn)階段，磁懸浮技術(shù)在國內(nèi)外正處于發(fā)展初期，許多控制方法還不成熟，設(shè)備也不完善，因此該領(lǐng)域有著廣大的發(fā)展前途；PID控制是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，通過長期的工程實踐總結(jié)形成的一種控制方法，其參數(shù)物理意義明確，結(jié)構(gòu)

13、改變比較靈活，魯棒性較強，易于實現(xiàn)，在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中控制效果較為顯著。當(dāng)前，PID控制仍然是首選的控制策略之一。在此，特向畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯資格審查小組及指導(dǎo)老師提出答辯申請，望批準(zhǔn)！     申請人簽名： 日期：資  格  審  查  項  目是否01工作量是否達到所規(guī)定要求  02文檔資料是否齊全（任務(wù)書、開題報告、外文資料翻譯、定稿論文及其相關(guān)附件資料等）  03是否完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù)  04完成的成果是否達到驗收要求  

14、;05是否剽竊他人成果或者直接照抄他人設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師簽名： 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯資格審查小組意見：符合答辯資格，同意答辯       不符合答辯資格，不同意答辯審查小組成員簽名：      年    月    日湖南工學(xué)院2011屆畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯及最終成績評定表 系：電氣與信息工程系 專業(yè)：自動化學(xué)生姓名單能文學(xué)號410070317班級0703答辯日期6.8課題名稱基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計指導(dǎo)教師易杰成 績 評 定分值評

15、定小計課題介紹思路清晰，語言表達準(zhǔn)確，概念清楚，論點正確，實驗方法科學(xué)，分析歸納合理，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)計（論文）有應(yīng)用價值。30答辯表現(xiàn)思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準(zhǔn)確大、深入,知識面寬。必答題40自由提問30合 計100答 辯 評 分分值：答辯小組長簽名：答辯成績a： ×40指導(dǎo)教師評分分值：指導(dǎo)教師評定成績b： ×40評閱教師評分分值：評閱教師評定成績c： ×20最終評定成績： 分?jǐn)?shù)： 等級：答辯委員會主任簽名： 年 月 日 2011屆畢業(yè)設(shè)計說明書 基于磁懸浮控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計 系 、 部： 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名： 單

16、能 文 指導(dǎo)教師： 易 杰 職稱 高級工程師專 業(yè)： 自 動 化 班 級： 0703班 完成時間： 2011年5月 摘 要磁懸浮技術(shù)具有無摩擦、無磨損、無需潤滑以及壽命較長等一系列優(yōu)點，在能源、交通、航空航天、機械工業(yè)和生命科學(xué)等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用背景。隨著磁懸浮技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對磁懸浮系統(tǒng)的控制已成為首要問題。本設(shè)計以PID控制為原理，設(shè)計出PID控制器對磁懸浮系統(tǒng)進行控制。在分析磁懸浮系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理的基礎(chǔ)上，建立磁懸浮控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并以此為研究對象，設(shè)計了PID控制器，確定控制方案，運用MATLAB軟件進行仿真，得出較好的控制參數(shù)，并對磁懸浮控制系統(tǒng)進行實時控制，驗證控制參

17、數(shù)。最后，本設(shè)計對以后研究工作的重點進行了思考，提出了自己的見解。PID控制器自產(chǎn)生以來，一直是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣、也是最成熟的控制器。目前大多數(shù)工業(yè)控制器都是PID控制器或其改進型。盡管在控制領(lǐng)域，各種新型控制器不斷涌現(xiàn)，但PID控制器還是以其結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、魯棒性強等優(yōu)點，處于主導(dǎo)地位。關(guān)鍵字：磁懸浮系統(tǒng)；PID控制器；MATLAB仿真AbstractMagnetic suspension technology, which has a series of advantages such as contact-free, no friction, no wear, no need o

18、f lubrication and long life expectancy, is widely concerned and adopted in high-tech areas such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life scienceWith the extensive application of maglev technology, the control of the maglev system has become a priority. In this paper, for t

19、he principle of PID control, PID controller designed to control magnetic suspension system.On the basis of analyzing of magnetic suspension systems structure and working principle, its system mathematical model was established, this thesis describe PID controller designed and get control scheme. It

20、gets the better control parameters by MATLAB software simulation studies, and real-time control of magnetic suspension control system to verify the control parameters. The key research works for further study are proposed at lastSince PID controllers have been the process of industrial production ha

21、s been most widely and most sophisticated controller. Most industrial controllers are PID controllers or modified. While in the control area, a variety of new controllers continue to emerge, but the PID controller is its simple structure, easy to implement, robust, etc., in a dominant position.Key w

22、ords: magnetic suspension system; PID controller; MATLAB simulation目 錄1 緒論11.1 磁懸浮技術(shù)綜述11.2 磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用與展望22 磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)52.1 系統(tǒng)組成52.2 磁懸浮實驗本體52.3 磁懸浮實驗電控箱62.4 磁懸浮實驗平臺63 磁懸浮系統(tǒng)的建模83.1 磁懸浮系統(tǒng)的工作原理83.2 控制對象的運動方程93.3 控制系統(tǒng)的電磁模型93.4 電磁鐵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型93.5 磁懸浮系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型104 PID控制器的設(shè)計124.1 控制方案的選擇124.2 PID控制器135 MATLAB仿真185.1 MAT

23、LAB簡介185.2 磁懸浮系統(tǒng)仿真175.3 PID參數(shù)整定196 磁懸浮系統(tǒng)的實時控制26結(jié)束語30參考文獻31致 謝331 緒論1.1 磁懸浮技術(shù)綜述磁懸浮技術(shù)屬于自動控制技術(shù)，它是隨著控制技術(shù)的發(fā)展而建立起來的。磁懸浮的作用是利用磁場力使某一物體沿著或繞著某一基準(zhǔn)框架的一軸或幾軸保持固定位置。由于懸浮體和支撐之間沒有任何接觸，克服了由摩擦帶來的能量消耗和速度限制，具有壽命長、能耗低、無污染、無噪聲、不受任何速度限制、安全可靠等優(yōu)點，因此目前世界各國已廣泛開展磁懸浮控制系統(tǒng)的研究。隨著控制理論的不斷完善和發(fā)展，采用先進的控制方法對磁懸浮系統(tǒng)進行的控制和設(shè)計，使系統(tǒng)具有更好的魯棒性。隨著電

24、子技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計算機的發(fā)展，帶來了磁懸浮控制系統(tǒng)向智能化方向的快速發(fā)展。目前，關(guān)于磁懸浮技術(shù)的研究與開發(fā)在國內(nèi)外都處于快速發(fā)展之中。磁懸浮技術(shù)從原理上來說不難以理解，但是真正將其產(chǎn)業(yè)化卻是近幾年才開始的。 磁懸浮方式分類 一般而言，磁懸浮可分為以下3種主要的應(yīng)用方式： (1)電磁吸引控制懸浮方式：此種控制方式利用了導(dǎo)磁材料與電磁鐵之間的吸力，幾乎絕大部分磁懸浮技術(shù)采用該技術(shù)。雖然原理上這種吸引力是一種不穩(wěn)定的力，但通過控制電磁鐵電流的大小，可以將懸浮氣隙保持在一定數(shù)值上。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和驅(qū)動元器件高性能、低價格化，該方式得到了廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上也有研究人員提出了把需要大電流

25、勵磁的電磁鐵部分替換成可控型永久磁鐵的方案，并深入的進行了研究和開發(fā)工作。該方案可以大幅度的降低勵磁損耗，甚至在額定懸浮高度時不需要能量，是一種非常值得注目的新技術(shù)。 (2)永久磁鐵斥力懸浮方式：此控制方式利用永久磁體間的斥力，一般產(chǎn)生斥力為1kg/cm2，所以被稱為永久磁體斥力懸浮方式。當(dāng)然，根據(jù)所用的磁材料的不同，其產(chǎn)生的斥力相應(yīng)變化。但是，由于橫向位移的不穩(wěn)定因素，需要從力學(xué)角度來安排磁鐵的位置。近年來出現(xiàn)了一些該方式的產(chǎn)品，例如日本1994年4月公布的專利中，就有關(guān)于該方式配置方案的內(nèi)容。隨著稀土材料的普及，該方式將會被更多的應(yīng)用到各個領(lǐng)域。 (3)感應(yīng)斥力方式：此種控制方式利用了磁鐵

26、或勵磁線圈和短路線圈之間的斥力，簡稱感應(yīng)斥力方式。為了得到斥力，勵磁線圈和短路線圈之間必須有相對的運動。這種方式主要應(yīng)用于超導(dǎo)磁懸浮列車的懸浮裝置上。但是，在低速時由于得不到足夠的懸浮力，在低速或停止時需要有車輪來支撐車身。從原理上而言，該方式很少被應(yīng)用于低速傳動機構(gòu)。 控制方式分類 目前，磁懸浮控制應(yīng)用技術(shù)分為數(shù)字控制方式和模擬控制方式。隨著近年來現(xiàn)代控制理論的日趨成熟，同時隨著計算機計算速度的飛躍提高，數(shù)字式控制方式得到越來越多的應(yīng)用。與數(shù)字式控制相比，由于模擬式的控制部分為硬件構(gòu)成，容易被技術(shù)人員理解、掌握和調(diào)試，并且相對價格比較低。容易實現(xiàn)產(chǎn)品化、系列化，從而在產(chǎn)業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。

27、目前的磁懸浮軸承產(chǎn)品大多數(shù)為模擬式控制。但是，模擬運算電路一旦制板，則無法再做根本性修正，缺乏軟件的靈活性，同時也無法發(fā)揮現(xiàn)代控制理論中系統(tǒng)等理論的強大威力。1.2 磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用及展望 目前，磁懸浮技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要集中在磁懸浮列車和磁懸浮軸承兩方面： (1)磁懸浮列車：20世紀(jì)60年代，世界上出現(xiàn)了3個載人的氣墊車試驗系統(tǒng)，它是最早對磁懸浮列車進行研究的系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是固體電子學(xué)的出現(xiàn)，使原來十分龐大的控制設(shè)備變得十分輕巧，這就給磁懸浮列車技術(shù)提供了實現(xiàn)的可能。1969年，德國牽引機車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車模型，以后命名為TR01型，該車在1km軌道上的時速達16

28、5km，這是磁懸浮列車發(fā)展的第一個里程碑。在制造磁懸浮列車的角逐中，日本和德國是兩大競爭對手。1994年2月24 日，日本的電動懸浮式磁懸浮列車，在宮崎一段74km長的試驗線上，創(chuàng)造了時速431km的日本最高紀(jì)錄。1999年4月，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車在試驗線上達到時速552km。德國經(jīng)過近20年的努力，技術(shù)上已趨于成熟，已具有建造運用的水平。原計劃在漢堡和柏林之間修建第一條時速為400km的磁懸浮鐵路，總長度為248km，預(yù)計2003年正式投入營運。但由于資金計劃問題，2002年宣布停止了這一計劃。我國對磁懸浮列車的研究工作起步較晚，1989年3月，國防科技大學(xué)研制出我國第一臺磁懸浮試驗樣

29、車。1995年，我國第一條磁懸浮列車實驗線在西南交通大學(xué)建成，并且成功進行了穩(wěn)定懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動控制和載人等時速為300km的試驗。西南交通大學(xué)這條試驗線的建成，標(biāo)志我國已經(jīng)掌握了制造磁懸浮列車的技術(shù)。然而，2001年3月上海13.8km的磁懸浮列車開始營運，標(biāo)志著我國成為世界上第一個具有磁懸浮運營鐵路的國家。(2)磁懸浮軸承磁懸浮軸承工業(yè)應(yīng)用磁軸承主要應(yīng)用對象有低軌道地球衛(wèi)星和航天器中的超真空泵、中子粉碎機、衛(wèi)星慣性飛輪和能量存儲飛輪、姿態(tài)控制飛輪、火箭引擎透平泵、制冷透平泵、環(huán)狀懸浮定位系統(tǒng)以及反射鏡的驅(qū)動機械裝置等。隨著現(xiàn)代工業(yè)對加工精度要求的不斷提高以及機床轉(zhuǎn)速的增加，傳統(tǒng)的滾動軸承和

30、靜壓軸承均已明顯地不能滿足對支承的要求，其中尤以噪聲、振動、發(fā)熱及使用壽命的問題更為突出。另外，在傳統(tǒng)的軸承中，供油系統(tǒng)是必不可少的。這不僅使結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，同時又產(chǎn)生了諸如污染等問題。可幸的是上述問題在采用了磁軸承以后，均能獲得圓滿解決。法國的S2M公司在數(shù)百臺機床上成功地應(yīng)用了磁軸承，包括各種高精度車床、銑床和磨床，而磨床方面的應(yīng)用尤為突出。在一般工業(yè)生產(chǎn)中第一個裝有磁軸承的是德國Leybol-Heraeus公司發(fā)明的渦輪機驅(qū)動的真空泵，其額定轉(zhuǎn)速達30,000r/min，工作氣隙直徑90mm，轉(zhuǎn)子重7kg，高真空、高轉(zhuǎn)速、長壽命。在輕工業(yè)中，磁軸承主要應(yīng)用于渦輪分子真空泵、離心機液態(tài)泵、紡

31、織機主軸、小型低溫壓縮機、旋轉(zhuǎn)光學(xué)境主軸、旋轉(zhuǎn)陽極射線管、中子分選器等。法國研制成功一臺冶金實驗用的小型超高速離心機，其轉(zhuǎn)速達800,000r/min。在重工業(yè)中，磁軸承也得到了應(yīng)用。德國ABB公司采用磁軸承系統(tǒng)研制成功第一臺大型核能用部件，即MALVE實驗循環(huán)器，其轉(zhuǎn)子重2噸，功率400kw，外伸推進器直徑1.25m。由于磁軸承具有獨特的優(yōu)良性能，在能源工業(yè)中，特別是核能技術(shù)的研究中，它將發(fā)揮越來越大的作用。此外，磁軸承在航海技術(shù)、紡織技術(shù)、醫(yī)療器械、電動機、發(fā)電機、噴氣機、電度表、機器人技術(shù)、振動控制等方面都得到了應(yīng)用。磁懸浮軸承國內(nèi)外發(fā)展概況磁軸承的發(fā)展與研究一直受到國內(nèi)外工業(yè)界的廣泛關(guān)

32、注。自1988年起，國際上每兩年舉行一屆磁軸承國際會議，交流和研討該領(lǐng)域的最新研究成果。目前較為活躍并處于領(lǐng)先地位的主要有瑞士聯(lián)邦工學(xué)院(ETH)，美國Maryland大學(xué)和Virginia大學(xué)、日本東京大學(xué)和英國Sussex大學(xué)等研究機構(gòu)，以及法國S2M、瑞士IBAG、英國Glacier、美國Avcon、MTI、Satcon等生產(chǎn)廠家。磁軸承在國外有較長的研究歷史，目前已進入應(yīng)用階段：1969年，法國軍部實驗室(LRBN) 開始磁懸浮軸承研究，1972年將第一個磁懸浮軸承應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)向器飛輪支承上；美國在1983年11月搭載于航天飛機的歐洲空間實驗艙采用了磁懸浮軸承真空泵；1995年，日本精

33、工精機公司在意大利國際機床博覽會上展出了采用了磁軸承主軸的機械加工中心MV-40B。法國SEP公司的磁懸浮軸承產(chǎn)品，轉(zhuǎn)速范圍0-800,000r/min，轉(zhuǎn)子直徑14-600mm，單個軸承承載能力3,00050,000N， 使用溫度范圍-253450。美國Federal-Mogul公司生產(chǎn)的磁軸承轉(zhuǎn)速在400120,000r/min，最大線速度可達264m/s，軸向承載222kN，徑向承載80kN。從目前國外的應(yīng)用狀況來看，在高速旋轉(zhuǎn)和高精度的應(yīng)用場合，磁軸承具有極大的優(yōu)越性，并已逐漸成為應(yīng)用的主流。我國對磁軸承的研究起步于80年代，國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大

34、學(xué)等均開展了相應(yīng)的研究。1994年，清華大學(xué)機電與控制實驗室研制成功臥式五自由度磁軸承系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速高達53,200r/min，1997年成功進行了內(nèi)圓磨削實驗，1999年實現(xiàn)了數(shù)控，轉(zhuǎn)速高達50,000r/min， 回轉(zhuǎn)精度lm。1996年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功數(shù)控機床用高剛度磁力軸承主軸，主軸轉(zhuǎn)速20,000r/min，磨頭端部剛度20N/m，軸承處徑向靜剛度169N/m，主軸運動誤差小于25m，目前，正致力于磁軸承衛(wèi)星飛輪應(yīng)用技術(shù)的研究。同時，西安交通大學(xué)研制成功用于渦輪膨脹機的磁軸承系統(tǒng)。但到目前為止，開發(fā)的多數(shù)產(chǎn)品還處于實驗室階段，而且在承載剛度和承載能力方面距離大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離

35、。國外磁軸承的價格十分昂貴，而且處于技術(shù)上保密的原因，不對國內(nèi)進行小批量磁軸承的出售。磁軸承能否產(chǎn)業(yè)化，其發(fā)展速度和水平關(guān)系著民族工業(yè)的前途，其市場潛力也非常巨大。2 磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.1 系統(tǒng)組成本設(shè)計所使用的磁懸浮實驗裝置系統(tǒng)，是由固高科技有限公司所生產(chǎn)的磁懸浮實驗裝置GML1001。此磁懸浮實驗裝置由LED光源、電磁鐵、光電傳感器、功放模塊、模擬量控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡和被控對象(鋼球)等元器件組成，其結(jié)構(gòu)簡單，實驗控制效果直觀明了，極富有趣味性。它是一個典型的吸浮式懸浮系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以分為磁懸浮實驗本體、電控箱及由數(shù)據(jù)采集卡和普通PC機組成的控制平臺等三大部分。系統(tǒng)組成主要由所需設(shè)計的

36、PID控制器，以電磁鐵為執(zhí)行器，小球位置傳感器和被控對象鋼球組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 磁懸浮控制系統(tǒng)框圖2.2 磁懸浮實驗本體電磁鐵繞組中通以一定的電流或者加上一定的電壓會產(chǎn)生電磁力，控制電磁鐵繞組中的電流或者繞組兩端的電壓，使之產(chǎn)生的電磁力與鋼球的重量相平衡，鋼球就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。但是這種平衡狀態(tài)是一種不穩(wěn)定平衡。此系統(tǒng)是一開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。主要有以下幾個部分組成：箱體、電磁鐵、傳感器、激光發(fā)生器、懸浮體。磁懸浮實驗本體見圖2圖2 磁懸浮實驗本體2.3 磁懸浮實驗電控箱電控箱內(nèi)安裝有如下主要部件：直流線性電源、傳感器后處理模塊、電磁鐵驅(qū)動模塊、空氣開關(guān)、接觸器、開關(guān)、指示燈

37、等電氣元件。磁懸浮實驗電控箱見圖3。圖3 磁懸浮實驗電控箱2.4 磁懸浮實驗平臺 與IBM PC/AT機兼容的PC機，帶PCI總線插槽，PCI1711數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動程序演示實驗軟件。磁懸浮系統(tǒng)是一個典型的非線性開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。電磁鐵繞組中通以一定的電流或者加上一定的電壓會產(chǎn)生電磁力，控制電磁鐵繞組中的電流或電壓，使之產(chǎn)生的電磁力與鋼球的重力相平衡，鋼球就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。但是這種平衡狀態(tài)是一種開環(huán)不穩(wěn)定的平衡，這是由于電磁鐵與鋼球之間的電磁力大小與它們之間的距離的平方成反比，只要平衡狀態(tài)稍微受到擾動（如：加在電磁鐵線圈上的電壓產(chǎn)生脈動、周圍的震動等），就會導(dǎo)致鋼球掉下來或被電磁

38、鐵吸住，不能穩(wěn)定懸浮，因此必須對系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制。由LED光源和傳感器組成的測量裝置檢測鋼球與電磁鐵之間的距離變化，當(dāng)鋼球受到擾動下降，鋼球與電磁鐵之間的距離增大，傳感器感受到光強的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化信號，經(jīng)（數(shù)字或模擬）控制器調(diào)節(jié)、功率放大器放大處理后，使電磁鐵控制繞組中的控制電流相應(yīng)增大，電磁力增大，鋼球被吸回平衡位置。3 磁懸浮系統(tǒng)的建模3.1 磁懸浮系統(tǒng)的工作原理 磁懸浮控制系統(tǒng)由鐵心、線圈、光位移傳感器、控制器、功率放大器和被控對象(鋼球)等元器件組成。它是一個典型的吸浮式懸浮系統(tǒng)。系統(tǒng)開環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 系統(tǒng)開環(huán)結(jié)構(gòu)圖電磁鐵繞組中通以一定的電流會產(chǎn)生電磁力，控制電磁鐵繞組中

39、的電流，使之產(chǎn)生的電磁力與鋼球的重力相平衡，鋼球就可以懸浮于空中而處于平衡狀態(tài)。但是這種平衡是一種不穩(wěn)定平衡，這是由于電磁鐵與鋼球之間的電磁力的大小與它們之間的距離成反比，只要平衡狀態(tài)稍微受到擾動(如：加在電磁鐵線圈上的電壓產(chǎn)生脈動、周圍的振動、風(fēng)等)，就會導(dǎo)致鋼球掉下來或被電磁鐵吸住，因此必須對系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制。由電渦流位移傳感器檢測鋼球與電磁鐵之間的距離變化，當(dāng)鋼球受到擾動下降，鋼球與電磁鐵之間的距離增大，傳感器輸出電壓增大，經(jīng)控制器計算、功率放大器放大處理后，使電磁鐵繞組中的控制電流相應(yīng)增大，電磁力增大，鋼球被吸回平衡位置，反之亦然。3.2 控制對象的運動方程忽略小球受到的其他干擾力，則

40、受控對象小球在此系統(tǒng)中只受電磁吸力和自身的重力。球在豎直方向的動力學(xué)方程可以用式(1)來描述： (1)式(1)中為磁極到小球的氣隙，單位為；為小球的質(zhì)量，單位為；為電磁吸力，單位為；為重力加速度，單位為。3.3 系統(tǒng)的電磁模型 由磁路的基爾霍夫定律、畢奧-薩伐爾定律和能量守恒定律有： (2)式(2)中為空氣磁導(dǎo)率，；為鐵芯的極面積，單位為；為電磁鐵線圈匝數(shù)；為小球質(zhì)心到電磁鐵磁極表面的瞬時氣隙，單位為；為電磁鐵繞組中的瞬時電流，單位為A。由于式(2)中、均為常數(shù)，故可定義一常系數(shù)： (3)則電磁力可改寫為： (4)3.4 電磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型電磁鐵繞組上的瞬時電感與氣隙間的關(guān)系如圖5所示：圖5 電

41、磁鐵電感特性電磁鐵通電后所產(chǎn)生的電感與小球到磁極面積的氣隙有如下關(guān)系： (5)由式(5)可知： (6)又因為，所以有： (7)根據(jù)基爾霍夫電壓定律有： (8)式(8)中、分別為線圈自身的電感和平衡點處的電感，單位為；為小球到磁極面積的氣隙，單位為；為電磁鐵中通過的瞬時電流，單位為；為電磁鐵的等效電阻，單位為。當(dāng)小球處于平衡狀態(tài)時，其加速度為零，即所受合力為零，小球的重力等于小球受到的向上的電磁吸引力，即： (9)3.5 磁懸浮系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型綜上所述，描述磁懸浮系統(tǒng)的方程可完全由下面方程(10)確定。 (10)對電、力學(xué)關(guān)聯(lián)方程線性化后，設(shè)系統(tǒng)得狀態(tài)變量為，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為： (11)轉(zhuǎn)化成傳遞

42、函數(shù)形式： (12)其中：， (13)式中為小球平衡位置，為平衡電流。本系統(tǒng)實際模型如表1所示：表1 實驗系統(tǒng)參數(shù)表參數(shù)值4 PID控制器的設(shè)計4.1 控制方案控制系統(tǒng)是主動磁懸浮系統(tǒng)中很重要的一環(huán)，控制系統(tǒng)的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能，包括穩(wěn)定性、動剛度、抗干擾能力等?？刂葡到y(tǒng)選用不同的控制器方案，其數(shù)學(xué)模型是不同的?？刂破鞣桨钢饕须娏骺刂坪碗妷嚎刂苾煞N方式。 電流控制器如果磁懸浮控制系統(tǒng)采用電流控制器，功率放大器輸出的是電流。由式 (14)可知，在無外力作用下，經(jīng)拉普拉斯變換，得在電流控制方式下的系統(tǒng)傳遞函數(shù)如式(15)： (15)根據(jù)控制理論的勞斯穩(wěn)定性判據(jù)：系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件是傳遞

43、函數(shù)分母中的各項系數(shù)必須大于零。式(15)缺少一次項（或一次項系數(shù)等于零），由此可以得出如下兩個推論：采用電流放大器的磁懸浮系統(tǒng)如果不施加控制，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；采用電流放大器的磁懸浮控制系統(tǒng)必須包含一次項，即控制系統(tǒng)必須含有微分控制環(huán)節(jié)。 電壓控制器 如果磁懸浮控制系統(tǒng)采用電壓放大器，功率放大器輸出的是電壓。將式(7)中的電流由電壓表示代入式(13)中，在無外力作用下，即，經(jīng)拉普拉斯變換，可得電壓控制方式下的系統(tǒng)傳遞函數(shù)： (16)很顯然，如果不加控制，系統(tǒng)有可能滿足勞斯穩(wěn)定性判據(jù)的必要條件，但不是充分條件。由此可以得出如下推論：采用電壓放大器的磁懸浮系統(tǒng)不施加控制，系統(tǒng)也有可能穩(wěn)定。這也是無

44、源磁懸浮系統(tǒng)能夠應(yīng)用的原理依據(jù)。 方案的確定綜上所述，對于磁懸浮控制系統(tǒng)來說，采用電流控制器或電壓控制器其數(shù)學(xué)模型是不同的。因此，在設(shè)計中，面臨兩種控制器的選擇問題。根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型及參考文獻得知，兩種控制方案有如下的特點：電流控制特點：(1)傳遞函數(shù)階次低、控制算法描述簡單，可滿足大多數(shù)應(yīng)用場合；(2)易實現(xiàn)簡單的PD或PID控制。電壓控制特點：(1)傳遞函數(shù)階次高、裝置的模型更為精確，因而魯棒性更好；(2)開環(huán)不穩(wěn)定性較弱；(3)剛度較低，易于實現(xiàn)；(4)電壓放大器比電流放大器更易實現(xiàn)。綜合考慮它們的優(yōu)缺點，對于大多數(shù)小型系統(tǒng)而言，電流控制是可以滿足的，特別是當(dāng)功率放大器的峰值輸出電壓成倍

45、地高出工作點電壓時，允許忽略放大器中電流控制回路的動力學(xué)影響。本設(shè)計為了得到比較精確些的數(shù)學(xué)模型，易于實現(xiàn)電壓功率放大器，方便快速原型建模，就采用電壓控制方式對磁懸浮系統(tǒng)進行控制。因此，設(shè)系統(tǒng)參數(shù)如下：為，為，為，為，為，。根據(jù)電壓控制方案下的系統(tǒng)模型，利用MATLAB計算出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： (17)4.2 PID控制器PID(proportional-integral-derivative)控制是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，通過長期的工程實踐總結(jié)形成的一種控制方法，其參數(shù)物理意義明確，結(jié)構(gòu)改變比較靈活，魯棒性較強，易于實現(xiàn)，在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中控制效果較為顯著?，F(xiàn)階段，PID控制仍然是首選的

46、控制策略之一。本設(shè)計的磁懸浮控制系統(tǒng)也是先嘗試用PID控制器來實現(xiàn)控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制器，對被控對象進行控制。 模擬PID控制模擬PID控制器在時域的輸入輸出關(guān)系為： (18)對應(yīng)PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： (19)式(19)中為比例增益，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)，為控制量，為控制偏差。PID控制方法具有簡單明了，便于設(shè)計和參數(shù)調(diào)整等優(yōu)點。比例系數(shù)主要影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。增大比例系數(shù)，會提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；反之，減小比例系數(shù)，會使調(diào)節(jié)過程變慢，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間。但是在接近穩(wěn)態(tài)區(qū)域時，如果比例

47、系數(shù)選擇過大，則會導(dǎo)致過大的超調(diào)，甚至可能帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分時間常數(shù)主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。積分作用的引入，能消除系統(tǒng)靜差，但是在系統(tǒng)響應(yīng)過程的初期，一般偏差比較大，如果不選取適當(dāng)?shù)姆e分系數(shù)，就可能使系統(tǒng)響應(yīng)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)或者引起積分飽和現(xiàn)象。微分時間常數(shù)主要影響系統(tǒng)的動態(tài)性能。因為微分作用主要是響應(yīng)系統(tǒng)誤差變化速率的，它主要是在系統(tǒng)響應(yīng)過程中當(dāng)誤差向某個方向變化時起制動作用，提前預(yù)報誤差的變化方向，能有效地減小超調(diào)。但是如果微分時間常數(shù)過大，就會使阻尼過大，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間過長。 數(shù)字PID控制 由于數(shù)字處理器只能計算數(shù)字量，無法進行連續(xù)PID運算，所以若使用數(shù)字處理器來實現(xiàn)PID算

48、法，則必須對PID算法進行離散化。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計可以通過首先用經(jīng)典控制理論設(shè)計出性能比較滿意的模擬調(diào)節(jié)器，然后通過離散化方法得到。PID算法的離散化有位置式和增量式兩種常用實現(xiàn)方式。按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時刻點代替連續(xù)時間，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階向后差分近似代替微分，即可得位置式離散PID表達式為： (20)式(20)中，。為采樣周期，為采樣序號，和分別為第和第時刻所得的偏差信號。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量時，采用增量式PID控制算法。增量式PID控制算法表達式為： (21)在本設(shè)計中，由于是利用MATLAB來實現(xiàn)PID控制，故直接調(diào)用MATLAB中自帶

49、的Discrete PID Controller模塊，避免了用高級語言描述差分方程的繁瑣，僅需要確定PID控制器的參數(shù)就可以輕松的設(shè)計數(shù)字PID控制器。 改進PID控制由于實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達到理想的控制效果，而且在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應(yīng)性很差。因此，在各種工業(yè)控制中，不僅可以用常規(guī)的PID控制，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求采用各種PID的變形形式，如不完全微分PID控制、帶死區(qū)的PID控制、積分分離PID控制、微分先行PID控制、削弱積分作用PID控制以及智能PID控制等。各種改進型PID控制都有其各自的算法，由于本設(shè)計中沒用到改進PID控制，所以關(guān)于其算法這里不再詳細(xì)介紹。5 MATLAB仿真5.1 MATLAB簡介 隨著控制理論的發(fā)展以及對磁懸浮系統(tǒng)性能要求的不斷提高，磁懸浮系統(tǒng)控制器需要實現(xiàn)的控制算