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1、精选优质文档-倾情为你奉上 编 号： 审定成绩： xxxx大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于磁悬浮球装置的控制算法研究学 院 名 称 ：xxx学 生 姓 名 ：xx专 业 ：xxxxxxxx班 级 ：xxx学 号 ：xxx指 导 教 师 ：xx答辩组 负责人 ：xx填表时间：2010年 6 月xxxx大学教务处制专心-专注-专业摘 要磁悬浮系统是一个复杂的非线性、自然不稳定系统，其控制器性能的好坏直接影响磁悬浮技术的应用，其研究涉及控制理论、电磁场理论、电力电子技术、数字信号处理以及计算机科学等众多领域。由于磁悬浮系统对实时性的要求很高，在很大程度限制了先进控制算法的开发和应用。为了满
2、足日益复杂的控制要求和提高控制系统的实时性，本文以单自由度磁悬浮球系统为研究对象，在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立了数学模型并对其控制器进行了研究，以期望达到更好的控制效果。本文首先分析了磁悬浮系统的工作原理，建立了系统的数学模型和线性化模型，并在此基础上利用MATLAB软件以及其中的SIMULINK仿真工具箱对模型开环和闭环系统进行了仿真。然后,根据得出的系统传递函数，在SIMULINK环境下搭建系统开环传递函数，并据此进行PID控制器的设计和调节，以及用根轨迹法和频率响应法控制系统。【关键词】磁悬浮球 PID控制器 根轨迹 频率响应ABSTRACTThe magnetic le
3、vitation system is a complex, nonlinear, naturally unstable system. And the controllers performance directly influences the wide applications of the magnetic levitation technology. The research on such a system involves control theory, electromagnetism, electric and electronic technology, digital si
4、gnal processing, computer science and so on. Because the magnetic levitation systems real time demand is rigorous, the development and application of advanced controllers is limited. In order to meet the requirement of complex controller and improving the real-time performance, this paper introduces
5、 the magnetic levitation control system based on the single-freedom-degree magnetic levitation ball system, then established the mathematic model and its controller is studied, and expected totter control effect.This paper analyses the working principle of maglev system, establishing the mathematic
6、model of the system and the linear model, and on the basis of using the software MATLAB, and SIMULINK tool to model and the closed-loop system is simulated. Then, according to the system transfer function in building system under the environment of SIMULINK open-loop transfer function, the design an
7、d adjustment of the PID controller, and with the root locus method and the method of frequency response controlled control system.【key words】Magnetic levitation ball PID controller Root locus Frequency response目 录前 言磁悬浮技术是将电磁学、机械学、动力学、电子技术、自动控制技术、传感技术、检测技术和计算机科学等高新技术有机结合在一起，成为典型的机电一体化技术。磁悬浮技术是利用磁场力使
8、一物体沿着或绕着某一基准框架的一轴或者几轴保持固定位置，由于悬浮体和支撑之间无任何接触，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，安全可靠等优点。目前，各国已广泛开展了对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。在我国，磁悬浮技术研究起步较晚，水平相对落后。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。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，广泛应用于很多领域，如：磁悬浮列车、磁悬浮隔振器、磁悬浮轴承、高速机床进给平台、磁悬浮硬盘、飞
9、轮电池等。磁悬浮球是一种典型的单自由度磁悬浮系统，只需一个自由度控制即可实现球的稳定悬浮。磁悬浮球实验系统结构简单、系统评判容易，在研究磁悬浮现象，实施和验证各种控制算法方面具有重要的作用。同时，对单自由度磁悬浮球进行研究是研究磁悬浮技术的一个有效方法，它是多自由度磁悬浮装置简化和去耦，在研究各种控制器算法，运用新技术方面具有很重要的作用，可以为较为复杂系统的设计与调试提供硬件和软件的准备。第一章 磁悬浮系统的概述第一节 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：电磁吸引控制悬浮方式这种控制方式利用了导磁材料与电磁铁之间的引力，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
10、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。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
11、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1。 近年来，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，磁悬浮技术具有如下优点：能够实现非接触式的运动控制，避免了机械接触，减少损耗，延长设备使用寿命；无需润滑，可以省去泵、管道、过滤器、密封元件；功耗低，减少了损耗；定位、控制精度高，其上限取决于位移传感器的精度；清洁无污染2。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3。磁
12、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，进入了工业应用领域4。第二节 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系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。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6，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
13、争对手。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
14、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5。高速磁悬浮电机高速磁悬浮电机是近年提出的一个新研究方向，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。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
15、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6。当前，国际上对磁悬浮技
