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1、四川理工学院毕业设计（论文） 磁悬浮系统的稳定性研究方案设计 学 生： 学 号： 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 四川理工学院自动化与电子信息学院 摘 要 本文通过对磁悬浮系统稳定性方案的讨论，从多种方法中选取状态控制法 来实现对系统的稳定性控制。文中首先采用单电磁铁模型，由于该模型是非线 性的开环控制系统，不能满足稳定性的要求，故经讨论采取在开环控制系统的 基础上添加反馈方案，来实现对系统的稳定性控制。再用 MATLAB 软件中的 Simulink 模块进行系统仿真来验证该方案是否能实现系统的稳定性控制。本文 对系统模型工作原理以及该系统中所用到的元件如传感器，电磁铁，功率
2、放大 器等进行了选材原理分析。同时文中也对磁悬浮系统的发展历史、现状及趋势 做了简单介绍。 关键词：关键词：磁悬浮系统；单电磁铁模型；稳定性；状态控制 ABSTRACT Based on the discussion of magnetic levitation system stability programs, we select state control law from a variety of ways to achieve stability of the system. Firstly, a single solenoid model was adopted to illust
3、rate the stability of the system, since the model is non-linear open-loop control system, which can not meet the stability requirements, a feedback scheme was added to the system to achieve the stability based on the discussion. Then MATLAB Simulink software module in the system simulation was used
4、to verify whether the program is to achieve system stability control. Meanwhile, the principle of the system simulation and the methods for the selection of components, such as sensors, solenoids and power amplifier, were provided in the text. Moreover, we gave a brief introduction of the magnetic l
5、evitation system history, current situation and trends. Key words: Magnetic levitation system; Single solenoid model；Stability；State control 目录 摘 要I ABSTRACTABSTRACT.II 第一章 绪论.1 1.1 磁悬浮技术应用背景.1 1.2 磁悬浮技术发展简史.1 1.3 磁悬浮技术的应用.3 1.4 磁悬浮控制方法及发展趋势.5 1.5 磁悬浮稳定性方案讨论.7 1.6 论文的总体结构7 第二章 磁悬浮系统的组成和工作原理.8 2.1 系统
6、组成.8 2.2 系统工作原理.9 2.3 传感器的选择与测试.10 2.3.1 S2900 型一体化电涡流位移传感器介绍 .11 2.3.2 S2900 型一体化电涡流位移传感器性能及参数 .11 2.3.3 S2900 型一体化电涡流位移传感器特性曲线 .12 2.4 电磁铁的选择.13 2.5 功率放大器的设计.14 2.5.1 斩波器的选择14 2.5.2 驱动电路16 第三章 单电磁铁悬浮系统数学模型的建立17 3.1 磁悬浮系统动态模型的建立.17 3.2 系统的线性化与状态方程的建立.19 第四章 非线性化反馈线性化控制器设计与仿真22 4.1 非线性化反馈线性化处理22 4.2
7、 系统仿真23 第五章 总结26 致谢.27 参考文献.28 第一章 绪论 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。 磁悬浮技术将电工电子技术、自动控制技术、传感器技术、检测技术、计算机 技术等高新技术有机结合在一起，成为典型的机电一体化技术，利用永磁或电 磁力将物体无接触地悬浮起来，辅以控制手段，以满足工业生产向高精密、高 速度方向发展的需要。近年来，磁悬浮技术开始由宇航、军事等领域向一般工 业应用方面发展1。 1.1 磁悬浮技术应用背景 近年来，随着科学技术的进步和生产生活的需要，高技术产品日新月异， 磁悬浮技术作为新兴机电一体化技术发展迅速。与其它技术相比，磁悬浮
8、技术 具有如下一些特点： 1)功耗低，减小了损耗： 2)无需润滑，可以省去泵、管道、过滤器、密封元件； 3)能够实现非接触式的运动控制，避免了机械接触，减少损耗，延长了设 备的使用寿命： 4)定位、控制精度高，其上限取决于位移传感器的精度： 5)能够在小行程内输出很大的驱动力； 6)清洁无污染。 1.2 磁悬浮技术发展简史 利用磁力使物体处于悬浮状态是人类的一个古老的梦想，人们试图采用永 久磁铁使物体处于稳定悬浮状态，均未获得成功。1842 年英国物理学家恩休 （Eeanshow）首先提出磁悬浮的概念23。1922 年，德国工程师赫尔曼肯佩尔 提出电磁悬浮理论，并于 1934 年申请了磁悬浮列
9、车专利4。1935 年，赫尔曼 肯佩尔运用试验模型证明了磁悬浮理论的可行性，并提出了应用于轨道交通的 可能，由此拉开了磁悬浮技术的研究与应用的序幕。1939 年，Braunbek 经过进 一步的物理剖析，得出唯有抗磁材料或超导材料，才能依靠恰当的永久磁铁结 构和相应的磁场分布而实现稳定的悬浮。随着现代控制理论和电子技术的发展， 从上世纪 60 年代中期，很多国家相继投入对有源磁悬浮技术的研究，由此磁悬 浮技术的研究步入了一个全新的时期，英国、日本和德国都相继开展了磁悬浮 列车的研究。70 年代后期以来，电力电子技术、计算机技术、磁性材料技术、 检测技术和控制理论的发展，带来了磁悬浮技术的飞速发
10、展，磁悬浮技术成为 各国研究开发的热点，越来越多的科研单位和公司加入到磁悬浮技术的研究和 开发的行列。进入 80 年代，超导技术首次应用在磁悬浮方面，超导技术与磁悬 浮技术的结合，以及新材料、新工艺、新器件的出现，随着现代控制技术的进 一步发展，使电磁悬浮技术越来越趋近于成熟，由理论研究阶段迈入实际应用 的阶段磁悬浮列车5技术实用领域。随着磁悬浮技术研究的不断深入，应 用的不断发展，目前，在空间技术、物理技术、机械加工、振动控制、机器人、 离心机等工业领域磁悬浮技术都得到了广泛的应用。 国内在磁悬浮技术领域的研究上起步较晚，研究水平相比于主要的国家相 对落后。改革开放以来，我国的科技工作者在磁
11、悬浮技术领域的研究（如磁悬 浮列车，磁轴承）有较为显著的成果。国防科技大学、西南交通大学的专家们 在电磁铁磁悬浮基础理论研究（如动态模型的建立与控制、悬浮系统的耦合振 动）的基础上，对磁悬浮列车的悬浮电磁铁设计、磁悬浮力的分析计算、悬浮 系统的非线性控制、列车与轨道之间的共振、悬浮导向系统、悬浮转向系统等 进行了理论与试验的研究。1989 年 3 月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬 浮试验样车。1995 年，我国第一条磁悬浮列车实验线在西南交通大学建成，并 且成功进行了时速为 300 km 的稳定悬浮、导向、驱动控制和载人等试验。西南 交通大学这条试验线的建成，标志着我国已经成功掌握了制造磁
12、悬浮列车的技 术。随后，在铁科院环形试验线上，对设计时速为 100 km/h 的室内磁悬浮列车 成功地进行了试验，该车长为 6.5 m，宽为 3 m，自重 4 t，内设 15 个座位，设 计时速为 100 km/h，并于 1998 年 1 月通过了铁道部科技成果鉴定，填补了中国 在磁悬浮列车技术领域的一片空白，从而使我国对磁悬浮列车技术领域的研究 跨入了世界前列6。 目前国内在常导低速磁悬浮列车技术领域已取得了许多重要成果，其关键 技术已基本解决，形成了具有相当水平的研究队伍，己经具备建设应用型低速 常导磁悬浮列车试验示范的能力。1995 年 5 月，国防科技大学和铁道部科学研 究所合作，成功
13、研制出第一台吸力型单转向磁悬浮列车；2001 年 3 月 1 日，上 海浦东磁悬浮列车商运线开工；2001 年 8 月 14 日，我国首辆磁悬浮客车在长 春客车厂竣工下线；2002 年 12 月 31 日，上海磁悬浮示范运营线举行通车典礼， 行程 30 Km，最高运行速度 430 Km/h；这些成果都标志着一种新兴的高速地面 运载工具磁悬浮列车离人们越来越近了。同时，磁悬浮相关应用技术的研 究，实现了各学科间的交叉、渗透，也推动了磁悬浮高技术产品的开发与应用。 1.3 磁悬浮技术的应用 磁悬浮技术是集电磁学、电子学、力学、机械学、控制工程和计算机科学 于一体的技术，并且具有低摩擦、无噪声、无污
14、染等诸多优秀的特点。从 20 世 纪 60 年代开始，磁悬浮技术研究吸引了国内外众多学者注意力，并将此技术成 功的应用在交通、冶金、机械、电器、材料等领域7。其应用如： （1）磁悬浮列车： 图 1-1 磁悬浮列车示意图 目前国外的磁悬浮列车方面，已从实验研究阶段转向试验运行阶段。在只 本，已建成多条常导和超导型实验线路，其中大江试验线长 1.53km，HSST-100 低速磁悬浮列车8于 1991 年月开始在该线上进行为期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，研制成功了 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，19
15、90 年 在日本开始建造速度为 500Km/h、长 48.2的超导磁悬浮列车路线。德国在 2005 年建成了长达 284km 的从柏林到汉堡之间的常导型磁悬浮列车正式运营路 线，速度为 420km/h。此外，法国、美国、加拿大等国也在这方面进行了很多 项目的研制和开发。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了很多重要成果，已经具备了建设应用型低速 常导磁悬浮列车试验示范的能力，并在上海建成了中国首条商业运营线路。 （2）高速磁悬浮电机9 图 1-2 磁悬浮电机结构示意图 高速磁悬浮电机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
16、动悬浮和驱动的能力，且具有体积小、临界转速高等特点， 更适合于超高速运行的状态，也适用于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磁悬浮电机、开关磁阻磁悬浮电 机、感应磁悬浮电机等诸多结构的电机，其中感应磁悬浮电机具有结构简单， 成本低，可靠性高，易于弱磁升速，气隙均匀，是最有应用前途的方案之一。 磁悬浮电机的研究越来越得到重视，并有一些成功的例子，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， 采用磁悬浮结构不仅效率高，并可以防止血细胞破损，避免引起溶血、凝血和 血栓等问题，磁悬浮血泵的研究不仅解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活 质量，而且为人类生命延续具有深远意义。 （3）磁悬浮轴承10 图 1-3 磁悬浮轴承结构示意图 磁悬浮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。是国外另一个非常活跃的研究方向1112，磁悬浮轴承广泛应用于 航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等场合 其他如
