【正文】 ...................................................................... 15 PID 控制參數(shù)整定方法與步驟 ..................................................................... 16 第 4 章 基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)仿真 ................................................................................ 19 MATLAB 簡介 ........................................................................................................... 19 Simulink 介紹 ............................................................................................................ 20 MATLAB 下數(shù)學(xué)模型的建立 ................................................................................... 20 開環(huán)系統(tǒng)仿真 ........................................................................................................... 21 閉環(huán)系統(tǒng)仿真 ........................................................................................................... 22 PID 參數(shù)整定 ............................................................................................................. 26 磁懸浮系統(tǒng)的實時控制 ........................................................................................... 30 第 5 章 結(jié) 論 ...................................................................................................................... 33 參 考 文 獻 ............................................................................................................................ 35 致 謝 ...................................................................................................................................... 37 第 1 章 引 言 1 第 1 章 引 言 前言 磁懸浮技術(shù)屬于自動控制技術(shù)，它是隨著控制技術(shù)的發(fā)展而建立起來的。磁懸浮的作用是利用磁場力使某一物體沿著或繞著某一基準(zhǔn)框架的一軸或幾軸保持固定位置 [1]。由于懸浮體和支撐之間沒有任何接觸，克服了由摩擦帶來的能量消耗和速度限限制，具有壽命長、能耗低、無污染、無噪聲、不受任何速度限制、安全可靠等優(yōu)點，因此目前世界各國已廣泛開展磁懸浮控制系統(tǒng)的研究。隨著控制理論的不斷完 善和發(fā)展，采用先進的控制方法對磁懸浮系統(tǒng)進行的控制和設(shè)計，使系統(tǒng)具有更好的魯棒性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計算機的發(fā)展，帶來了磁懸浮控制系統(tǒng)向智能化方向的快速發(fā)展。 目前，關(guān)于磁懸浮技術(shù)的研究與開發(fā)在國內(nèi)外都處于快速發(fā)展之中。磁懸浮技術(shù)從原理上來說不難以理解，但是真正將其產(chǎn)業(yè)化卻是近幾年才開始的。 磁懸浮的分類及應(yīng)用前景 磁懸浮可分為以下 3 種主要應(yīng)用方式 [2]： ①電磁吸引控制懸浮方式 這種控制方式利用了導(dǎo) 磁材料與電磁鐵之間的引力，絕大部分磁懸浮技術(shù)采用這種方式。雖然原理上這種吸引力是一種不穩(wěn)定的力，但通過控制電磁鐵的電流，可以將懸浮氣隙保持在一定數(shù)值上 [3]。隨著現(xiàn)代控制理論和驅(qū)動元器件的發(fā)展，方式在工工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛運用。在此基礎(chǔ)上也有研究人員將需要大電流勵磁的電磁鐵部分換成可控型永久磁鐵，這樣可以大幅度降低勵磁損耗。 ②永久磁鐵斥力懸浮方式 這種控制方式利用永久磁體之間的斥力，根據(jù)所用的磁材料的不同，其產(chǎn)生的斥力也有 所差別。由于橫向位移的不穩(wěn)定因素，需要從力學(xué)角度來安排磁鐵的位置。近年來隨著稀土材料的普及，該方式將會更多的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。 ③感應(yīng)斥力方式 這種控制方式利用了磁鐵或勵磁線圈和短路線圈之間的斥力，簡稱感應(yīng)斥力方式。為了得到斥力，勵磁線圈和短路線圈之間必須有相對的運動。這種方式主要運動于超導(dǎo)磁懸浮列車的懸浮裝置上。但是，在低速時由于得不到足夠的懸浮力，限制了磁懸浮小球的 PID 控制 2 這種方式的廣泛應(yīng)用。 目前，各國都在大力發(fā)展磁懸浮技術(shù)的多方面應(yīng)用，以期適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展要求。磁懸浮列車以其在經(jīng)濟、環(huán)保等方面的優(yōu)勢被認(rèn)為是二十一世紀(jì)交通工具 的發(fā)展方向，德國和日本在這方面已經(jīng)取得很大的進展，技術(shù)逐漸成熟。磁懸浮軸承有著一般傳統(tǒng)軸承和支撐技術(shù)所無法比擬的優(yōu)越性，并且已取得工業(yè)的廣泛應(yīng)用。另外，磁懸浮隔振器、磁懸浮電機等相關(guān)技術(shù)也都發(fā)展迅速，進入了工業(yè)應(yīng) 磁懸浮技術(shù)的研究現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 60 年代，世界上出現(xiàn)了 3 個載人的氣墊車實驗系統(tǒng)，它是最早對磁懸浮列車進行研究的系統(tǒng) [5]。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是固體電學(xué)的出現(xiàn)，使原來是十分龐龐大的控制設(shè)備變得十分輕巧，這就 是給磁懸浮列車技術(shù)提供了實現(xiàn)的可能。 1969年，德國牽引機車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車系統(tǒng)模型，以后命名為 TR01型，該車在 1km 軌道上時速達(dá)到 165km，這事磁懸浮列車發(fā)展的第一個里程碑。在制造磁懸浮列車的角逐中，日本和德國是兩大競爭對手 [6]。 1994 年 2 月 24 日，日本的電動懸浮式磁懸浮列車，在宮琦一段 74km 長的實驗線上，創(chuàng)造了時速 431km 的日本最高記錄。 1999 年 4 月日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車在實驗線上達(dá)到 時速 552km，德國經(jīng)過 20 年的努力技術(shù)上已趨成熟，已具有建筑哦運營線路的水平。原計劃在漢堡和柏林之間修建第一條時速為 400km 的磁懸浮鐵路，總長度為 248km，預(yù)計 20xx年正式投入運營。但由于資金計劃穩(wěn)態(tài)， 20xx 年宣布停止了這一計劃。我國對磁懸浮列車的研究工作比較晚， 1989 年 3 月，國防科技大學(xué)研制出我國第一臺磁懸浮實驗樣車。 1995 年，我國第一條磁懸浮實驗線在西南交通大學(xué)建成，并且成功進行了穩(wěn)定懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動控制和載人運行等時速為 300km 的實驗。西南交通大學(xué)這條試驗線的建成，標(biāo)志我國已經(jīng)掌握了制 造磁懸浮列車的技術(shù)，上海鋪設(shè)的 的磁懸浮鐵路，我國稱為世界上第一個具有磁懸浮運營鐵路的國家。 高速磁懸浮電機高速磁懸浮電機是近年提出的一個新研究方向，它集磁懸浮軸承和電動機于一體，具有自懸浮和餐動能力，不需要任何獨立的軸承支撐，且具有體積小、臨界轉(zhuǎn)速高等特點，更適合于超高速運行的場合，也適合小型乃至超小型結(jié)構(gòu)。國外自 90 年代中期開始對其進行了研究，相繼出現(xiàn)了永磁同步型磁懸浮電機、開關(guān)磁阻型磁懸浮電機、感應(yīng)型磁懸浮電機等各種結(jié)構(gòu) [7]。其中感應(yīng)型磁懸浮電機具有結(jié)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，氣隙均勻，易于弱磁升速，是最有前途的方案之一傳第 1 章 引 言 3 統(tǒng)的電機是由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子與轉(zhuǎn)子之間通過機械軸承連接，在轉(zhuǎn)子運動過程中存在機械摩擦，增加了轉(zhuǎn)子的摩擦阻力，使得運動部件磨損，產(chǎn)生機械振動和噪聲，使運動部件發(fā)熱，潤滑劑性能變差，嚴(yán)重的會使電機氣隙不均勻，繞組發(fā)熱，溫升增大，從而降低電機效能，最終縮短電機使用壽命。磁懸浮電機利用定子和轉(zhuǎn)子勵磁磁場間“同性相斥，異性相吸”的原理使轉(zhuǎn)子懸浮起來，同時產(chǎn)生推進力驅(qū)使轉(zhuǎn)子在懸浮狀態(tài)下運動。磁懸 浮電機的研究越來越受到重視，并有一些成功的報道。如磁懸浮電機應(yīng)用在生命科學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)在國外已研制成功的離心式和振動式磁懸浮人工心臟血泵，采用無機械接觸式磁懸浮結(jié)構(gòu)不僅效率高，而且可以防止血細(xì)胞破損，引起溶血、凝血和血栓等問題。磁懸浮血泵的研究不僅為解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活質(zhì)量，而且為人類延續(xù)生命具有深遠(yuǎn)意義。 磁懸浮的控制方法和發(fā)展趨勢 磁懸浮從技術(shù)實現(xiàn)的角度可以分為三類，即主動式、被動式與混合式磁懸浮技術(shù)[8]。主動磁懸浮技術(shù)即通過電磁力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的可控懸?。槐粍邮降难芯恐饕性谟烙谰么盆F低溫超導(dǎo)的研究。就目前工業(yè)應(yīng)用角度而言，主動式磁懸浮技術(shù)與混合式磁懸浮技術(shù)占主體地位，主動式磁懸浮技術(shù)和混合式磁懸浮技術(shù)中的控制方法是其技術(shù)的核心，控制器的性能直接決定了懸浮體的性能指標(biāo)，例如精度、剛度、阻尼特性、抗干擾能力等。所以在這類磁懸浮產(chǎn)品的設(shè)計中，高性能控制器的研究與設(shè)計成為生產(chǎn)高品質(zhì)磁懸浮產(chǎn)品的關(guān)鍵。以上問題都對磁懸浮系統(tǒng)的控制器提出了很高的要求，為此大量的研究集中在控制方法和控制手段上。近年來，一些先進的現(xiàn) 代控制理論方法在磁懸浮軸承上應(yīng)用的研究也逐漸開展起來，但因為磁懸浮軸承的參數(shù)不確定性和非線性使得一些現(xiàn)代控制算法如最優(yōu)控制無法達(dá)到預(yù)期的控制精度。同時由于磁懸浮系統(tǒng)的實時性要求很高，對于很復(fù)雜的控制算法無法在工程上實現(xiàn)。 傳統(tǒng)的工業(yè)控制較多采用應(yīng)用成熟的 PID 控制器，通過對參數(shù)的選取，還可構(gòu)成 PI、 PD 控制器， PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，應(yīng)用成熟，但是在高精度的磁懸浮技術(shù)中，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和磁場本身的非線性使得傳統(tǒng)的 PID 控制器不能完全滿足工程需要。近年來，隨著工業(yè)水平的提高，很多先進控制方法 應(yīng)用到自動化領(lǐng)域 [9]： ① 非線性控制：非線性控制是復(fù)雜控制系統(tǒng)理論中的一個難點，對于磁懸浮系統(tǒng)在本質(zhì)上是非線性的，目前大多數(shù)的控制方法是在平衡點附近線性化得到近似的系統(tǒng)磁懸浮小球的 PID 控制 4 模型，再根據(jù)此模型設(shè)計控制器，但這樣的控制方法并不能完全達(dá)到工程需要，有學(xué)者采用非線性狀態(tài)反饋線性化的方法進行控制器的設(shè)計，國外有學(xué)者通過簡化非線性電磁力學(xué)方程設(shè)計非線性控制器，并通過試驗驗證了控制器的可行性。 ② 智能控制系統(tǒng)：智能控制器具有在線學(xué)習(xí)、修 正的能力，它可以根據(jù)系統(tǒng)獲取的信息來分析系統(tǒng)特性，從而使系統(tǒng)性能達(dá)到預(yù)期要求 [10]。鑒于智能控制器的眾多多優(yōu)點，國內(nèi)外很多學(xué)者都開始了磁懸浮系統(tǒng)智能控制器的設(shè)計，現(xiàn)階段已經(jīng)實現(xiàn)了模糊控制器的設(shè)計并已經(jīng)在實驗中得到了驗證。 ③ 系統(tǒng)辨識：系統(tǒng)辨識是在輸入輸出觀測值的基礎(chǔ)上，在指定的一類系統(tǒng)中，確定一個與被識別系統(tǒng)等價的系統(tǒng)。辨識、狀態(tài)估計和控制理論是現(xiàn)代控制理論三個相互滲透的領(lǐng)域。辨識和狀態(tài)估計離不開控制理論的支持，實際的控 制系統(tǒng)離不開被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，但實際的被控系統(tǒng)往往都是未知的，并且建立復(fù)雜的被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型一般是很難做到的。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識，模糊邏輯理論，在非線性系統(tǒng)辨識中的應(yīng)用以及在基礎(chǔ)理論方面的研究工作，使得有關(guān)磁懸浮系統(tǒng)的辨識研究也逐漸深入，但由于磁懸浮的系統(tǒng)的實時性要求較高，系統(tǒng)辨識一般需要耗費大量的計算時間，目前在磁懸浮系統(tǒng)的辨識研究還沒有應(yīng)用于實際控制系統(tǒng)中。 課題的提出和意義 隨著控制理論的發(fā)展以及對磁懸浮系統(tǒng)性能要求的不斷提高，磁懸浮系統(tǒng)控制器需要實現(xiàn)的控制算法的復(fù)雜程度日漸加大。 傳統(tǒng)的模擬控制器雖然具有成本低、速度快、性能穩(wěn)定、對控制算法適應(yīng)良好等優(yōu)點，但存在著參數(shù)調(diào)整不太方便，硬件結(jié)構(gòu)不易改變等缺點，難以滿足用戶日益增高的要求。于是數(shù)字控制成為磁懸浮系統(tǒng)控制的主流趨勢。 在磁懸浮系統(tǒng)控制中，普遍采用了基于 DSP 構(gòu)建的數(shù)控平臺。此平臺難以克服其硬件成本高、開發(fā)周期長、延續(xù)性差、對用戶軟件、硬件能力要求高等缺點。開發(fā)一種低成本、高效率、易開發(fā)、易維護的控制器實驗平臺便成為迫切的需要。計算機技術(shù)的發(fā)展給控制系統(tǒng)開辟了新的途徑， PC 機作為控制器的試驗平臺有許多優(yōu)勢： （ 1）程序具有移植 性，不依賴于硬件。軟件的可重用性好，后續(xù)的開發(fā)不必從頭開始； （ 2）能在圖形界面下開發(fā)，充分利用 PC 機的開發(fā)優(yōu)勢，有強大的實時操作系統(tǒng)支持，可輕松實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度。通過多任務(wù)編程，能實時改變控制參數(shù)和控制算法，第 1 章 引 言 5 實時監(jiān)控控制器的輸入、輸出和內(nèi)部變量； （ 3）數(shù)據(jù)采集卡不需自己開發(fā)，價格便宜，硬