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1、本科毕业设计（论文）题目: 磁悬浮小球系统的PID控制 姓 名: 学 号： 专 业: 自动化 指导教师: 职 称: 日 期: XX大学华科学院毕业设计（论文）任务书学院（直属系）：电子信息工程系 时间：20XX 年 X月X 日学 生 姓 名指 导 教 师设计（论文）题目磁悬浮小球系统的PID控制主要研究内容掌握磁悬浮小球实验装置的软、硬件结构，能分析系统的控制特性；理解PID控制算法的理论知识和PID控制现场调试方法；能运用PID控制算法实现磁悬浮小球系统的稳定控制。研究方法理论分析与实验相结合主要技术指标(或研究目标)学会控制系统控制特性进行分析的一般方法和步骤，在此基础上选择合适的控制算法
2、；掌握一般控制系统PID控制算法的仿真研究和实验过程中控制器参数的调节方法。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日 说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。中 文 摘 要 本文针对磁悬浮小球系统设计了PID控制器，实现了对对磁悬浮小球的控制。在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立了磁悬浮小球控制系统的数学模型，并设计了PID控制器，运用MATLAB软件进行仿真，得出较好的控制参数，并对磁悬浮控制系统进行实时控制，结果表明了设计方法的有效性。关键词：磁悬浮系统；PID控制器；MATLAB仿真AbstractBased on magnetic l
3、evitation ball system, we designed a PID controller which can control magnetic levitation ball. On the basis of analyzing the magnetic suspension system structure and working principle, established a mathematical model of magnetic suspension ball control system and designed a PID controller. Using M
4、ATLAB to simulate and control the magnetic suspension ball control system timely, and get better control parameters. The result shows that the proposed method is effective.Key words：Magnetic suspension system; PID controller; Matlab simulation目 录第1章 引 言11.1 前言11.2 磁悬浮的分类及应用前景11.3 磁悬浮技术的研究现状21.4 磁悬浮的
5、控制方法和发展趋势31.5 课题的提出和意义4第2章 磁悬浮系统的结构与建模72.1 磁悬浮系统的基本结构72.1.1 磁悬浮实验本体72.1.2 磁悬浮实验电控箱82.1.3 磁悬浮实验平台82.2 磁悬浮系统工作原理82.3 磁悬浮系统的数学模型92.3.1 控制对象的运动方程92.3.2 系统的电磁力模型92.3.3 电磁铁中控制电压与电流的模型102.3.4 电磁铁平衡时的边界条件112.3.5 电磁铁系统数学模型112.3.6 电磁铁系统物理参数12第3章 控制器设计133.1 控制器方案选择133.1.1 电流控制器133.1.2 电压控制器133.1.3 方案的确定143.2 P
6、ID控制器设计143.2.1 PID控制基础153.2.2 PID控制参数整定方法与步骤16第4章 基于MATLAB的控制系统仿真194.1 MATLAB简介194.2 Simulink介绍204.3 MATLAB下数学模型的建立204.4 开环系统仿真214.5 闭环系统仿真224.6 PID参数整定264.7 磁悬浮系统的实时控制30第5章 结 论33参 考 文 献35致 谢37第1章 引 言第1章 引 言1.1 前言磁悬浮技术属于自动控制技术，它是随着控制技术的发展而建立起来的。磁悬浮的作用是利用磁场力使某一物体沿着或绕着某一基准框架的一轴或几轴保持固定位置1。由于悬浮体和支撑之间没有任
7、何接触，克服了由摩擦带来的能量消耗和速度限制，具有寿命长、能耗低、无污染、无噪声、不受任何速度限制、安全可靠等优点，因此目前世界各国已广泛开展磁悬浮控制系统的研究。随着控制理论的不断完善和发展，采用先进的控制方法对磁悬浮系统进行的控制和设计，使系统具有更好的鲁棒性。随着电子技术的发展，特别是电子计算机的发展，带来了磁悬浮控制系统向智能化方向的快速发展。目前，关于磁悬浮技术的研究与开发在国内外都处于快速发展之中。磁悬浮技术从原理上来说不难以理解，但是真正将其产业化却是近几年才开始的。1.2 磁悬浮的分类及应用前景磁悬浮可分为以下3种主要应用方式2：电磁吸引控制悬浮方式这种控制方式利用了导磁材料与
8、电磁铁之间的引力，绝大部分磁悬浮技术采用这种方式。虽然原理上这种吸引力是一种不稳定的力，但通过控制电磁铁的电流，可以将悬浮气隙保持在一定数值上3。随着现代控制理论和驱动元器件的发展，方式在工业领域得到了广泛运用。在此基础上也有研究人员将需要大电流励磁的电磁铁部分换成可控型永久磁铁，这样可以大幅度降低励磁损耗。永久磁铁斥力悬浮方式这种控制方式利用永久磁体之间的斥力，根据所用的磁材料的不同，其产生的斥力也有所差别。由于横向位移的不稳定因素，需要从力学角度来安排磁铁的位置。近年来随着稀土材料的普及，该方式将会更多的应用于各个领域。感应斥力方式这种控制方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间的斥力，简称
9、感应斥力方式。为了得到斥力，励磁线圈和短路线圈之间必须有相对的运动。这种方式主要运动于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。但是，在低速时由于得不到足够的悬浮力，限制了这种方式的广泛应用。目前，各国都在大力发展磁悬浮技术的多方面应用，以期适应生产发展要求。磁悬浮列车以其在经济、环保等方面的优势被认为是二十一世纪交通工具的发展方向，德国和日本在这方面已经取得很大的进展，技术逐渐成熟。磁悬浮轴承有着一般传统轴承和支撑技术所无法比拟的优越性，并且已取得工业的广泛应用。另外，磁悬浮隔振器、磁悬浮电机等相关技术也都发展迅速，进入了工业应1.3 磁悬浮技术的研究现状20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验
10、系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统5。随着技术的发展，特别是固体电学的出现，使原来是十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就是给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上时速达到165km，这事磁悬浮列车发展的第一个里程碑。在制造磁悬浮列车的角逐中，日本和德国是两大竞争对手6。1994年2月24日，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，在宫琦一段74km长的实验线上，创造了时速431km的日本最高记录。1999年4月日本研制的超导磁悬浮列车在实验线上达到时速552km，德国经过20年的努力技术上已趋成熟，已
11、具有建筑哦运营线路的水平。原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400km的磁悬浮铁路，总长度为248km，预计2003年正式投入运营。但由于资金计划稳态，2002年宣布停止了这一计划。我国对磁悬浮列车的研究工作比较晚，1989年3月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮实验样车。1995年，我国第一条磁悬浮实验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为300km的实验。西南交通大学这条试验线的建成，标志我国已经掌握了制造磁悬浮列车的技术，上海铺设的13.8km的磁悬浮铁路，我国称为世界上第一个具有磁悬浮运营铁路的国家。高速磁悬浮电机高速磁悬浮电机是近年提出的
12、一个新研究方向，它集磁悬浮轴承和电动机于一体，具有自悬浮和餐动能力，不需要任何独立的轴承支撑，且具有体积小、临界转速高等特点，更适合于超高速运行的场合，也适合小型乃至超小型结构。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7。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单，成本低，可靠性高，气隙均匀，易于弱磁升速，是最有前途的方案之一传统的电机是由定子和转子组成，定子与转子之间通过机械轴承连接，在转子运动过程中存在机械摩擦，增加了转子的摩擦阻力，使得运动部件磨损，产生机械振动和噪声，使运动部件发热，润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不
13、均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场间“同性相斥，异性相吸”的原理使转子悬浮起来，同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重视，并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域，现在国外已研制成功的离心式和振动式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。磁悬浮血泵的研究不仅为解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活质量，而且为人类延续生命具有深远意义。1.4 磁悬浮的控制方法和发展趋势磁悬浮从技术实现的角度可以分为三类，即主动式、被动式与混合
14、式磁悬浮技术8。主动磁悬浮技术即通过电磁力实现转子的可控悬浮；被动式的研究主要集中在永久磁铁低温超导的研究。就目前工业应用角度而言，主动式磁悬浮技术与混合式磁悬浮技术占主体地位，主动式磁悬浮技术和混合式磁悬浮技术中的控制方法是其技术的核心，控制器的性能直接决定了悬浮体的性能指标，例如精度、刚度、阻尼特性、抗干扰能力等。所以在这类磁悬浮产品的设计中，高性能控制器的研究与设计成为生产高品质磁悬浮产品的关键。以上问题都对磁悬浮系统的控制器提出了很高的要求，为此大量的研究集中在控制方法和控制手段上。近年来，一些先进的现代控制理论方法在磁悬浮轴承上应用的研究也逐渐开展起来，但因为磁悬浮轴承的参数不确定性
15、和非线性使得一些现代控制算法如最优控制无法达到预期的控制精度。同时由于磁悬浮系统的实时性要求很高，对于很复杂的控制算法无法在工程上实现。传统的工业控制较多采用应用成熟的 PID 控制器，通过对参数的选取，还可构成PI、PD 控制器，PID 控制器结构简单，调节方便，应用成熟，但是在高精度的磁悬浮技术中，由于系统的复杂性和磁场本身的非线性使得传统的PID控制器不能完全满足工程需要。近年来，随着工业水平的提高，很多先进控制方法应用到自动化领域9：非线性控制：非线性控制是复杂控制系统理论中的一个难点，对于磁悬浮系统在本质上是非线性的，目前大多数的控制方法是在平衡点附近线性化得到近似的系统模型，再根据此模型设计控制器，但这样的控制方法并不能完全达到工程需要，有学者采用非线性状态反馈线性化的方法进行
