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1、 磁 悬 浮 小 球 控 制 系 统 软 件 设 计摘 要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点，在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。随着磁悬浮技术的广泛应用，对磁悬浮系统的控制已成为首要问题。本设计以PID控制为原理，设计出PID控制器对磁悬浮系统进行控制。在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立磁悬浮控制系统的数学模型，并以此为研究对象，设计了PID控制器，确定控制方案，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，验证控制参数。最后，本设计对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见
2、解。PID控制器自产生以来，一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器。目前大多数工业控制器都是PID控制器或其改进型。尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现，但PID控制器还是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点，处于主导地位。关键字：磁悬浮系统，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 of lubrication and long life ex
3、pectancy, 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 the principle of PID control, P
4、ID 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 gets the better control parame
5、ters 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 has been most widely and most so
6、phisticated 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 words: magnetic suspension syst
7、em; PID controller; MATLAB simulation 目 录前 言1第1章 磁悬浮系统的结构91.1 系统组成91.2 磁悬浮实验本体9第2章 磁悬浮小球软件设计112.1 整个程序组成112.2 显示模块122.3 AD/DA转换模块10 2.3.1 AD转换15 2.3.2 DA转换15 2.3.3 延时模块16第3章 PID控制模块的设计17 3.1 PID控制原理 17 3.2 PID控制的程序流程 18第4章 MATLAB仿真184.1 MATLAB作用 194.2 参数最优化设计方法 19 结 论20参考文献22致谢24附录251前 言课题的来源及研究意义磁悬
8、浮由于其无接触的特点避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。高速磁悬浮列车以其在技术、经济和环保方面的独特优势被认为是21世纪的交通工具的发展方向，德国和同本等国家在这方面己经取得了重要进展，磁悬浮列车技术开始走向实用阶段。由于我国至今尚无客运专线，高速客运网的形成大约需半个世纪的持续努力，恰恰成为我们在交通领域实现技术跨越发展、发挥后发优势、后来居上的重要机遇；高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展，这些高新技术本身又将为新兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。磁悬浮系统是一个典型的非
9、线性系统，其非线性的特性是不可忽略的。然而当前绝大多数磁悬浮控制器都是基于非线性磁悬浮系统在某个平衡点的线性化模型而设计的线性控制律。当系统的平衡点改变时，系统的动态特性会显著改变，此时，线性控制律往往不能满足系统稳定性的要求。因此有必要基于磁悬浮系统的非线性模型设计控制律。无源性是基于耗散性的特例，是一种先进的非线性控制方法，它从能量的角度来描述系统的输入输出，可以把一些数学工具与物理现象联系起来，适用于很多控制问题，在机电系统，机器人等控制应用方面和自适应控制，非线性巩控制等控制方法方面，已经证实了无源性是一种有效的方法。本论文主要研究单自由度磁悬浮系统，该系统具有结构简单、性能评判相对容
10、易、可以缩短研究周期等特点。由于磁悬浮领域的相近性，多自由度磁悬浮系统可以吸收单自由度磁悬浮系统取得的很多有意义的研究成果，因此具有重要的意义。论文主要从以下几个方面进行论述：l、介绍磁悬浮技术国内外发展状况及其应用前景，本论文选题的背景及研究的目的和意义。2、磁悬浮控制系统的物理分析及其数学模型的建立首先介绍单自由度磁悬浮系统的构成及工作原理，从力学、运动学和电磁学详细分析了系统的线性和非线性模型，提出一种基于奇异摄动法建立系统非线性模型的描述方法，从而为后文研究设计磁悬浮系统各种控制器的算法仿真打下了基础。3、磁悬浮系统的PID控制和模糊控制研究首先分析传统的PID控制器，针对PID控制器
11、对非线性磁悬浮系统控制的局限性，运用模糊控制方法，设计一个二维模糊控制器，同时构造一个积分环节以消除稳态误差；并通过实验进行比较。4、磁悬浮系统的模糊自适应PID控制器设计根据磁悬浮系统的非线性动态模型分析在MATLAB环境下建立磁悬浮的非线性系统模型。针对磁悬浮系统的非线性，在基本模糊控制和常规PID控制的基础上提出模糊自适应PID控制策略。文中分析两种模糊PID控制方法，一是磁悬浮系统的模糊自适应PID控制，二是微分环节改进的模糊自适应PID控制；在MATLABSIMULINK下分别对其建立了仿真模型，并和传统PID控制。三种控制方法相互进行比较以验证出最佳控制方法。磁悬浮技术的研究现状
12、利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久，但实现起来并不容易。早在1842年，恩休(Eamshow)就证明：单靠永久磁铁是不能将一个电磁铁在所有6个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。要使得铁磁体实现稳定的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小才能实现，也就是说应当采用可控电磁铁。1937年德国科学家肯佩尔(Kenper)提出这一思想，并申请了第一磁悬浮技术专利，这构成了之后开展的磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。1939年，布鲁贝克(Braunbeck)对磁悬浮进行了严格的理论证明。以后的研究又证明，如果最小有一阶自由度受外部机械约束的话，强磁性物体可以用磁力悬浮于
13、稳定平衡状态。至此，磁悬浮理论已经发展得较为完善。磁悬浮由于其无接触的特点避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、冶金、机械、电器、材料等以下各个方面有着广阔的应用：l、磁悬浮列车目前国外在磁悬浮方面的研究工作主要集中在磁悬浮列车方面进展最快，已从实验研究阶段转向试验运行阶段。目前德国和同本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。在同本，已建成多条常导和超导型试验线路其中大江试验线长153km，HSST-100低速磁悬浮列车于1991年1月开始在该线上进行了为期2年的系统测试和评估，取得了令人满意的结果。1997年4月3日建成的山梨试
14、验线长184km，从1997年4月开始进行高速磁悬浮列车的试验运行，试验速度己超过550kmh。德国的埃姆斯兰特试验线长31.5 km，研制成功TR07型时速450 kmh的磁悬浮列车。在取得一系列研究和实验结果后，1990年日本开始建造速度为550kmh、长482km的超导磁悬浮列车线路。德国则在2005年建成柏林与汉堡之问284km的常导型磁悬浮列车币式运营线路，其速度为420kmh。英国早在80年代中期就己建成从伯明翰机场到市区的低速常导型磁悬浮列车实用线路。同本研制的高速磁悬浮列车，在实验阶段己创出磁悬浮列车的最高速度517kmh。此外法国、美国、加拿大等国也在这方面进行了众多项目的研
15、制和开发。 高速磁悬浮列车因其在技术、经济、环保方面的独特优势被认为是21世纪最理想的交通工具。在我国，浦东机场至上海市区33公里的磁悬浮试验段已经建成2002年12月21日，上海磁悬浮列车开始通车；2003年元旦，上海磁浮列车正式投入商业运行，被称为“商业运营中最快的列车”和“世界上第一列商用磁悬浮列车”，并被收录到吉尼斯世界大全。上海磁浮列车示范线的顺利运行，对我国乃至世界的磁浮列车事业都产生了极大的促进作用，这对于加快我国现代化工业进程，促进我国轨道交通及相关产业跨越式发展具有非常重要的意义。2、磁悬浮轴承磁悬浮轴承的研究是国外非常活跃的研究方向，典型对象是发电机的磁悬浮轴承(又称磁力轴承)。主动式磁悬浮轴承(AMB)以其无机械磨损、无噪声、寿命长、无润滑油污染等特点而广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等场合。目前磁力轴承的速度已达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113-151。1980年清华大学开始定性研究，1986年哈尔滨工业大学开始研制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
