《磁悬浮的pid控制系统设计 matlab仿真.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁悬浮的pid控制系统设计 matlab仿真.doc（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、-范文最新推荐- 磁悬浮的PID控制系统设计+MATLAB仿真 摘要：磁悬浮列车是一种现今新型的轨道交通工具，具有速度快、噪声小、振动小、安全舒适等特点。本课题通过理解实验室磁悬浮系统的工作原理，建立了磁悬浮控制系统的动力学方程、电压平衡方程，求得了系统的传递函数的数学模型，验证了此系统的能控性和能观性。课题通过研究磁悬浮对象设计了磁悬浮的根轨迹校正器、频域校正器和PID控制器。利用MATLAB仿真软件整定了PID控制器参数、根轨迹校正器的零极点、频域校正器的响应曲线，得到了较好的控制效果。最后进行磁悬浮控制系统的实时控制，实时控制悬浮实验表明,磁悬浮系统具有很好的适应性, 获得了较高的控制精
2、度。关键字： 磁悬浮系统；PID控制器；MATLAB仿真；磁悬浮间隙4210The design of maglev PID control systemAbstract：Maglev Train is a new rail transport with high speed, low noise, small vibration, safe and comfortable.By understanding this topic maglev system’s working theory establishing levitation control system dynamic
3、 equations, the voltage balance equation, obtaining the transfer function of the system’s mathematical model, validated that this system is controllability and observability.This topic designed magnetic levitation maglev root locus correction,frequency domain correction and PID controllers thr
4、ough research object.Using the software MATLAB simulation tuning of the PID controller parameters, the pole-zero of root locus corrector, the response curves of frequency domain corrector ,receiving good control effect.Finally,real-time controlling magnetic levitation control system, real-time contr
5、ol of suspension experiments shows that magnetic levitation system has good adaptability to obtain a higher control precision.KeyWords: Maglev system; PID controller; MATLAB simulation; levitation gap目录 5MATLAB仿真- 40 -5.1MATLAB简介- 40 -5.2磁悬浮系统仿真- 41 -5.3PID参数整定- 43 -6磁悬浮系统的实时控制- 50 -7 总结与展望- 53 -7.1
6、总结- 53 -7.2展望- 54 -1绪论1.1本课题的内容及意义磁浮列车是一种新型轨道交通工具，具有速度快、噪声小、振动小、安全舒适等特点。磁悬浮列车的原理是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”。列车上装有超导磁体，由于悬浮而在线圈上高速前进。这些线圈固定在铁路的底部，由于电磁感应，在线圈里产生电流，地面上线圈产生的磁场极性
7、与列车上的电磁体极性总是保持相同，这样在线圈和电磁体之间就会一直存在排斥力，从而使列车悬浮。课题要求用PID控制方法为磁浮列车系统设计一控制器，使它们按照预期的性能指标稳定。最后对整个控制系统进行实时设计。1.2 磁悬浮技术综述磁悬浮技术应该属于自动控制技术，它是由控制技术的逐步发展而建立起来的。磁悬浮的根本作用是利用磁场力使某一物体沿着或者是绕着某一个基准框架的一根或者几根轴保持固定位置。由于悬浮体与支撑体之间没有任何的接触，克服了由摩擦带来的速度方面的限制和摩擦产生的能量的消耗，因此具有寿命长、无噪声、能耗低、无污染、安全可靠、不受任何速度限制等优点，因此目前世界各国已广泛开展磁悬浮控制系
8、统方面的研究。采用先进的控制方法对磁悬浮系统进行设计和控制，随着控制理论的不断发展和完善，使系统具有更好的鲁棒特性。随着电子技术的不断发展，尤其是电子计算机领域的发展，带来了磁悬浮控制系统向智能化方向的发展。 (3)感应排斥力方式这种方式主要运用于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。此种控制方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间的排斥力，简称为感应排斥力方式。为了得到排斥力，短路线圈和励磁线圈之间必须存在相对的运动。可是，在较低速度时由于获得不到足够的悬浮力，在低速或停止时需要用车轮来支撑车体。因此，从原理上来说，该方式很少被应用于较低速传动机构。1.2.2控制方式分类迄今为止，磁悬浮控制应用技术分为
9、模拟控制方式和数字控制方式。随着近年来现代控制理论的逐步成熟，同时随着计算机计算速度的提升，数字式控制方式得到更广泛的应用。与数字式控制相比，由于模拟式的控制部分是由硬件构成的，更容易被技术人员所理解、掌握和调试，相对价格比较低廉。更加容易实现产品化、系列化，因此在产业界得到更加广泛的应用。现在市面上的磁悬浮轴承产品大多数为模拟式控制方式。但是，模拟运算电路一旦制板，就不能再做修改，缺乏软件的灵活性，同时也无法发挥现代控制理论中 系统等理论的作用。1.3磁悬浮技术的应用及展望目前，磁悬浮技术的大规模应用主要集中在磁悬浮轴承和磁悬浮列车两方面：(1)磁悬浮列车：目前国外在磁悬浮方面的研究工作主要
10、集中在磁悬浮列车方面，进展很快，以从实验研究阶段转向试验运行阶段。在日本，已建成多条常导和超导型试验线路。其中大江试验线长1.53km，HSST-100低速磁悬浮列车于1991年1月开始在该线上进行为期2年的系统测试和评估，取得了令人满意的结果。德国的埃姆斯兰特试验线长31.5km，研制成功TR07型时速450km的磁悬浮列车。在取得一系列研究和试验结果后，1990年日本开始建造速度为500km/h、长48.2km的超导磁悬浮列车路线。德国则在2005年建成柏林到汉堡之间284km的常导型磁悬浮列车正式运营路线，其速度为420km/h。此外，法国、美国、加拿大等国也在这方面进行了总多项目的研制
11、和开发。目前国内经过“七五”前期研究和“八五”联合攻关，在常导低速磁悬浮列车方面已取得许多重要成果，已经具备建设应用型低速常导磁悬浮列车试验示范的能力。国防科技大学和铁道部科学研究所合作于1995年5月成功研制出第一台吸力型单转向架磁悬浮列车YDC-III。 磁悬浮轴承的研究是国外另一个非常活跃的研究方向，磁悬浮轴承广泛应用于航天、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等场合。目前磁力轴承的转速已达到80000转/分，转子直径可达12米，最大承载力为10吨。我国在这方面研究起步较晚，1980年清华大学开始进行定性研究。1986年哈尔滨工业大
12、学开始研究五维主动式磁力轴承，并获国家自然科学基金资助，1990年成功地实现了静、动态稳定悬浮。目前国内还没有一个实际应用的例子，原因是磁力轴承是集众多学科于一体的高科技产品，有许多理论和实际技术问题需要解决。(3) 高速磁悬浮电机高速磁悬浮电机(Beatingless Motors)是近些年提出的一个新的研究方向，它集磁悬浮轴承和电动机于一体，具有自动悬浮和驱动的能力，且具有体积小、临界转速高等特点。国外自90年代中期开始对其进行了研究，相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种结构。磁悬浮电机的研究越来越受到重视，并有一些成功的报道，如磁悬浮电机应用的生命
13、科学领域，现在国外已研制成功的离心式和振动时磁悬浮人工心脏血泵，采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高，而且可以防止血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓等问题。(4) 磁悬浮的其他应用领域磁悬浮技术在其他领域也有很多应用：风洞磁悬浮系统：这是60年代初就开始发展的研究方向，美国、苏联等为了发展自己的空中优势，花费了相当大的人力、物力。在风洞中小尺寸的飞行器模型，不用任何接触支撑或悬挂而仅靠磁力悬浮，因而可不受干扰的测量飞行器的空气动力学性能，并能直接测量其动力稳定性和控制参数。磁悬浮隔振系统：磁悬浮隔振是一种新型的主动式隔振方法，他在振源和载荷之间用主动控制的磁场支撑，使振源和载荷之间完全脱离机械接
14、触，由于外加主动控制，磁悬浮隔振的静态刚度和动态隔振效果可以方便的进行调解。 与IBM PC/AT机兼容的PC机，带PCI总线插槽，PCI1711数据采集卡及其驱动程序演示实验软件。磁悬浮系统是一个典型的非线性开环不稳定系统。电磁铁绕组中通以一定的电流或者加上一定的电压会产生电磁力，控制电磁铁绕组中的电流或电压，使之产生的电磁力与钢球的重力相平衡，钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。但是这种平衡状态是一种开环不稳定的平衡，这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力大小与它们之间的距离的平方成反比，只要平衡状态稍微受到扰动（如：加在电磁铁线圈上的电压产生脉动、周围的震动等），就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸
15、住，不能稳定悬浮，因此必须对系统实现闭环控制。由LED光源和传感器组成的测量装置检测钢球与电磁铁之间的距离变化，当钢球受到扰动下降，钢球与电磁铁之间的距离增大，传感器感受到光强的变化而产生相应的变化信号，经（数字或模拟）控制器调节、功率放大器放大处理后，使电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大，电磁力增大，钢球被吸回平衡位置。2.1.2磁悬浮系统的工作原理磁悬浮球控制系统是研究磁悬浮技术的平台，它是一个典型的吸浮式悬浮系统。系统结构图如下图 2.3。图2.3系统开环结构图电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力，只要控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与钢球的重力相平衡,钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。为了得到一个稳定的平衡系统，必须实现闭环控制，使整个系统稳定具有一定的抗干扰能力。本系统中采用光源和光电位置传感器组成的无接触测量装置检测钢球与电磁铁之间的距离x的变化，为了提高控制的效果，还可以检测距离变化的速率。电磁铁中控制电流的大小作为磁悬浮控制对象的输入量。 由磁路的基尔霍夫定律有： 则：将
