【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目: 磁懸浮系統(tǒng)的 PID 控制 姓 名: 學(xué) 號(hào): 專 業(yè): 指導(dǎo)教師: 職 稱: 日 期: 華科學(xué)院白皓：磁懸浮系統(tǒng)的 PID 控制I摘 要磁懸浮技術(shù)具有無摩擦、無磨損、無需潤(rùn)滑以及壽命較長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在能源、交通、航空航天、機(jī)械工業(yè)和生命科學(xué)等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用背景。本設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)在分析磁懸浮系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理的基礎(chǔ)上，建立其數(shù)學(xué)模型，并以此為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了 PID 控制器，確定控制方案，運(yùn)用 MATLAB 軟件進(jìn)行仿真研究，得出較好的控制參數(shù)。最后，本文對(duì)以后研究工作的重點(diǎn)進(jìn)行了思考，提出了自己的見解。關(guān)鍵詞：磁懸浮系統(tǒng) 控制器 MATLAB 軟件 PID 控制太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）II白皓：磁懸浮系統(tǒng)的 PID 控制IIIAbstractMagic suspension technology, which has a series of advantages such as contactfree, no friction, no wear, no need of lubrication and long life expectancy, is widely concerned and adopted in hightech areas such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life science．On the basis of analyzing of magic suspension system’s structure and working principle, its system mathematical model was established, this thesis describe PID controller designed and get control scheme. It get the better control parmeters by MATLAB software simulation key research works for further study are proposed at last． Key Word： Magic Levitation Ball System Digital Controller MATLAB PID Control 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IV白皓：磁懸浮系統(tǒng)的 PID 控制V目 錄摘 要 ..................................................................IABSTRACT.............................................................III第 1 章 緒論 ............................................................1 磁懸浮技術(shù)綜述 ...................................................1 前言 .........................................................1 磁懸浮方式的分類 .............................................1 控制方式的分類 ...............................................2 磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用及展望 .......................................2 課題的提出及意義 .................................................6 本論文的工作及主要內(nèi)容 ...........................................6第 2 章 磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與建模 ..........................................9 簡(jiǎn)介 .............................................................9 磁懸浮實(shí)驗(yàn)本體 ...............................................9 磁懸浮實(shí)驗(yàn)電控箱 ............................................10 磁懸浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái) ..............................................10 磁懸浮系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) ............................................11 磁懸浮系統(tǒng)工作原理 ..............................................11 磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ............................................12 控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方程 ..........................................12 系統(tǒng)的電磁力模型 ............................................12 電磁鐵中控制電壓與電流的模型 ................................13 電磁鐵平衡時(shí)的邊界條件 ......................................14 電磁鐵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 ..........................................14 電磁鐵系統(tǒng)物理參數(shù) ..........................................15 本章小結(jié) ........................................................15第 3 章 控制器設(shè)計(jì) .....................................................17太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）VI白皓：磁懸浮系統(tǒng)的 PID 控制VII 控制器方案選擇 ..................................................17 電流控制器 ..................................................17 電壓控制器 ..................................................17 方案的確定 ..................................................18 PID 控制器設(shè)計(jì) ...................................................18 PID 控制器 ...................................................19 改進(jìn)型 PID 算法的應(yīng)用 ........................................20 PID 控制器參數(shù)整定 ...........................................22 本章小結(jié) ........................................................23第 4 章 基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)仿真 ......................................25 引言 ............................................................25 MATLAB 軟件簡(jiǎn)介 ..................................................25 選用此軟件的緣由 ................................................26 SIMULINK仿真系統(tǒng) .................................................26 MATLAB 下數(shù)學(xué)模型的建立 ..........................................27 開環(huán)系統(tǒng)仿真 ....................................................27 閉環(huán)系統(tǒng)仿真 ....................................................28 PID 參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法整定 ...........................................32 本章小結(jié) ........................................................36第 5 章 總結(jié)與展望 .....................................................37參考文獻(xiàn) ..............................................................39致 謝 ................................................................41白皓：磁懸浮系統(tǒng)的 PID 控制1第 1 章 緒論 磁懸浮技術(shù)綜述 [1] 前言磁懸浮技術(shù)屬于自動(dòng)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(chǎng)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。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制，具有壽命長(zhǎng)、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(diǎn)，因此目前世界各國(guó)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(jìn)的控制方法對(duì)磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行的控制和設(shè)計(jì)，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(jì)算機(jī)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(guó)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。 磁懸浮方式的分類一般而言，磁懸浮可分為以下 3 種主要的應(yīng)用方式： 這種控制方式利用了導(dǎo)磁材料與電磁鐵之間的吸力，幾乎絕大部分磁懸浮技術(shù)采用該技術(shù)。雖然原理上這種吸引力是一種不穩(wěn)定的力，但通過控制電磁鐵電流的大小，可以將懸浮氣隙保持在一定數(shù)值上。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和驅(qū)動(dòng)元器件高性能、低價(jià)格化，該方式得到了廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上也有研究人員提出了把需要大電流勵(lì)磁的電磁鐵部分替換成可控型永久磁鐵的方案，并深入的進(jìn)行了研究和開發(fā)工作。該方案可以大幅度的降低勵(lì)磁損耗，甚至在額定懸浮高度時(shí)不需要能量，是一種非常值得注目的新技術(shù)。這種控制方式利用永久磁體間的斥力，一般產(chǎn)生斥力為 1kg/cm2，所以被稱為永久磁體斥力懸浮方式。當(dāng)然，根據(jù)所用的磁材料的不同，其產(chǎn)生的斥力相應(yīng)變化。但是，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。近年來出太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2現(xiàn)了一些該方式的產(chǎn)品，例如日本 1994 年 4 月公布的專利中，就有關(guān)于該方式配置方案的內(nèi)容。隨著稀土材料的普及，該方式將會(huì)被更多的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。這種控制方式利用了磁鐵或勵(lì)磁線圈和短路線圈之間的斥力，簡(jiǎn)稱感應(yīng)斥力方式。為了得到斥力，勵(lì)磁線圈和短路線圈之間必須有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)。這種方式主要應(yīng)用于超導(dǎo)磁懸浮列車的懸浮裝置上。但是，在低速時(shí)由于得不到足夠的懸浮力，在低速或停止時(shí)需要有車輪來支撐車身。從原理上而言，該方式很少被應(yīng)用于低速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 控制方式的分類目前，磁懸浮控