目 录
第1章 引 言 ........................................................................................................................ 1
1.1 前言 ............................................................................................................................. 1 1.2 磁悬浮的分类及应用前景 ......................................................................................... 1 1.3 磁悬浮技术的研究现状 ............................................................................................. 2 1.4 磁悬浮的控制方法和发展趋势 ................................................................................. 3 1.5 课题的提出和意义 ..................................................................................................... 4 第2章 磁悬浮系统的结构与建模 ........................................................................................ 7
2.1 磁悬浮系统的基本结构 ............................................................................................. 7
2.1.1 磁悬浮实验本体 .............................................................................................. 7 2.1.2 磁悬浮实验电控箱 .......................................................................................... 8 2.1.3 磁悬浮实验平台 .............................................................................................. 8 2.2 磁悬浮系统工作原理 ................................................................................................. 8 2.3 磁悬浮系统的数学模型 ............................................................................................. 9
2.3.1 控制对象的运动方程 ...................................................................................... 9 2.3.2 系统的电磁力模型 .......................................................................................... 9 2.3.3 电磁铁中控制电压与电流的模型 ................................................................ 10 2.3.4 电磁铁平衡时的边界条件 ............................................................................ 11 2.3.5 电磁铁系统数学模型 .................................................................................... 11 2.3.6 电磁铁系统物理参数 .................................................................................... 12
第3章 控制器设计 .............................................................................................................. 13
3.1 控制器方案选择 ....................................................................................................... 13
3.1.1 电流控制器 .................................................................................................... 13 3.1.2 电压控制器 .................................................................................................... 13 3.1.3 方案的确定 .................................................................................................... 14 3.2 PID控制器设计 ........................................................................................................ 14
3.2.1 PID控制基础 ................................................................................................. 15 3.2.2 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 ................................................................................ 19
4.1 MATLAB简介 .......................................................................................................... 19 4.2 Simulink介绍 ............................................................................................................ 20 4.3 MATLAB下数学模型的建立 .................................................................................. 20 4.4 开环系统仿真 ........................................................................................................... 21 4.5 闭环系统仿真 ........................................................................................................... 22 4.6 PID参数整定 ............................................................................................................ 26 4.7 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何接触，克服了由摩擦带来的能量消耗和速度限限制，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]： ①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。
②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。
③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
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磁悬浮小球的PID控制
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
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第1章 引 言
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。
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、被动式与混合式磁悬浮技术
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。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
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]：
①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
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