【正文】 2010屆畢業(yè)設計說明書 磁懸浮控制系統(tǒng)建模及仿真系 部： 電氣與信息工程系 專 業(yè)： 電氣自動化技術 完成時間： 2010年5月 目 錄1 緒論 2 磁懸浮技術的發(fā)展與現(xiàn)狀 3 磁懸浮技術研究的意義 3 磁懸浮的主要應用 3 磁懸浮列車 3 高速磁懸浮電機 42 磁懸浮系統(tǒng)概述 4 磁懸浮實驗本體 5 磁懸浮電控箱 6 控制平臺 63 控制系統(tǒng)的數(shù)學描述……………………………………………………………..7 控制系統(tǒng)數(shù)學模型的表示形式 7 微分方程形式 7 狀態(tài)方程形式 8 傳遞函數(shù)形式 8 零極點增益形式 9 部分分式形式 9 控制系統(tǒng)建模的基本方法 10 機理模型法 10 統(tǒng)計模型法 11 混合模型法 11 控制系統(tǒng)模型選擇 12 控制系統(tǒng)的數(shù)學仿真實現(xiàn) 124 MATLAB軟件的介紹 13 MATLAB簡介 13 Simulink概述 13 Simulink用法 145 磁懸浮系統(tǒng)基于MATLAB建模及仿真 20 磁懸浮系統(tǒng)工作原理 20 控制對象的運動方程 21 系統(tǒng)的電磁力模型 21 電磁鐵中控制電壓與電流的模型 21 平衡時的邊界條件 23 系統(tǒng)數(shù)學模型 23 系統(tǒng)物理參數(shù) 23 Matlab下數(shù)學模型的建立 24 開環(huán)系統(tǒng)仿真 25 閉環(huán)系統(tǒng)仿真 286 結(jié)束語 31參考文獻 32致 謝 33附 錄 34 附A傳感器實測參數(shù)……………………………………………………………351 緒論 磁懸浮技術的發(fā)展與現(xiàn)狀磁懸浮技術的發(fā)展始于上世紀，恩思霍斯發(fā)現(xiàn)了抗磁物體可以在磁場中自由懸浮，此現(xiàn)象于1939年由布魯貝克進行了嚴格的理論證明。以后的研究又證明，如果最小有一階自由度受外部機械約束的話，強磁性物體可以用磁力懸浮于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。至此，磁懸浮理論己經(jīng)發(fā)展得較為完善了。但是它的實際應用研究直到最近二十年才廣泛開展。近年來，磁懸浮技術得到了迅速發(fā)展，并得到越來越廣泛的應用。從高速磁軸承到高速懸浮列車，以及大氣隙的風洞磁懸浮模型，這些都是很有前途的應用領域。由于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，如傳感器、控制技術(尤其是數(shù)字控制技術)、低溫和高溫超導技術，使得磁懸浮技術迅速崛起，引起各國投入大量的人力、物力、進行研究開發(fā)。 磁懸浮技術研究的意義磁懸浮由于其無接觸的特點，避免了物體之間的摩擦和磨損，能延長設備的使用壽命，改善設備的運行條什，因而在交通、冶金、機械、電器、材料等各個方面有著廣闊的應用前景。高速磁懸浮列車以其在技術、經(jīng)濟和環(huán)保方面的獨特優(yōu)勢被認為是21世紀的交通工具的發(fā)展方向，德國和日本等國家在這方面己經(jīng)取得了重要進展，磁懸浮列車技術開始走向?qū)嵱秒A段。另外，在磁力軸承、磁懸浮天平、磁懸浮高速電機及相關技術應用也都得到了發(fā)展，國外己經(jīng)開發(fā)出這類高技術的產(chǎn)品并且己經(jīng)進入市場。磁懸浮技術不僅在電氣等工業(yè)領域得到廠泛應用，而且在生命科學領域也開始得到應用，充分顯示了磁懸浮技術在國民經(jīng)濟發(fā)展和人們生活質(zhì)量提高方面具有廣闊的發(fā)展前景。在我國，磁懸浮技術的研究是從80年代初開始的，日前已掌握了磁懸浮列車技術。進行高速磁懸浮列車這類課題的研究耗資巨大，在日前國內(nèi)情況下不能采取國外以試驗為主的研究方法，主要從理論上進行研究，在此基礎上進行模擬實驗，為我國實際應用磁懸浮技術提供理論依據(jù)。進行磁懸浮其它應用技術的研究，可以實現(xiàn)學科間的交叉、滲透，推動磁懸浮高技術產(chǎn)品的開發(fā)與應用，因此具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實意義。 磁懸浮的主要應用 磁懸浮列車磁懸浮列車具有快速、低耗、環(huán)保、安全等優(yōu)點，因此前景十分廣闊。常導磁懸浮列車可達400至500公里／小時，超導磁懸浮列車可達500至600公里／小時。它的高速度使其在1000至1500公里之間的旅行距離中比乘坐飛機更優(yōu)越。由于沒有輪子、無摩擦等因素，它比目前最先進的高速火車省電30%。在500公里／小時速度下，每座位／公里的能耗僅為飛機的1／3至1／2，比汽車也少耗能30%。因無輪軌接觸，震動小、舒適性好，對車輛和路軌的維修費用也大大減少。磁懸浮列車在運行時不與軌道發(fā)生摩擦，發(fā)出的噪音很低。它的磁場強度非常低，與地球磁場相當，遠低于家用電器。由于采用電力驅(qū)動，避免了燒煤燒油給沿途帶來的污染。 高速磁懸浮電機高速磁懸浮電機(Bearing less Motors)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，具有自懸浮和驅(qū)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，也適合于小型乃至超小型結(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、開關磁阻型磁懸浮電機、感應型磁懸浮電機等各種結(jié)構(gòu)。其中感應型磁懸浮電機具有結(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。如磁懸浮電機應用在生命科學領域，現(xiàn)在國外己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)生命具有深遠意義。2 磁懸浮系統(tǒng)概述磁懸浮實驗系統(tǒng)作為自動控制實驗系統(tǒng)，可以滿足工科院校的控制器件、自控原理、現(xiàn)代控制理論和控制系統(tǒng)課程設計的需求。GML磁懸浮實驗系統(tǒng)是固高科技有限公司為全方位滿足自動控制課程的教學需要而研制、開發(fā)的實驗教學平臺。磁懸浮實驗系統(tǒng)是研究磁懸浮技術的平臺,它主要由電磁鐵、位置敏感傳感器、放大及補償裝置、數(shù)字控制器和控制對象鋼球等元件組成。它是一個典型的吸浮式懸浮系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以分為磁懸浮實驗本體、電控箱及由數(shù)據(jù)采集卡和普通PC 機組成的控制平臺等三大部分。電控箱控制平臺 磁懸浮實驗本體 磁懸浮系統(tǒng)框圖 磁懸浮實驗本體電磁鐵繞組中通以一定的電流會產(chǎn)生電磁力,控制電磁鐵繞組中的電流,使之產(chǎn)生的電磁力與鋼球的重量相平衡,鋼球就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。但是這種平衡狀態(tài)是一種不穩(wěn)定平衡。此系統(tǒng)是一開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。主要有以下幾個部分組成：。u 箱體u 電磁鐵箱體u 傳感器u 激光發(fā)生器u 懸浮體電