【正文】 泛應(yīng)用。當(dāng)前，國際上對磁懸浮技術(shù)的研究工作已經(jīng)非常活躍。磁懸浮電機(jī)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(jìn)力驅(qū)使轉(zhuǎn)子在懸浮狀態(tài)下運動。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)，我國稱為世界上第一個具有磁懸浮運營鐵路的國家[5]。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2003年正式投入運營。1969年，德國牽引機(jī)車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車系統(tǒng)模型[6]，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。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。但是，在低速時由于得不到足夠的懸浮力，限制了這種方式的廣泛應(yīng)用[1]。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。隨著現(xiàn)代控制理論和驅(qū)動元器件的發(fā)展，方式在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛運用。磁懸浮球?qū)嶒炏到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)評判容易，在研究磁懸浮現(xiàn)象，實施和驗證各種控制算法方面具有重要的作用。在我國，磁懸浮技術(shù)研究起步較晚，水平相對落后。然后,根據(jù)得出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，在SIMULINK環(huán)境下搭建系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行PID控制器的設(shè)計和調(diào)節(jié)，以及用根軌跡法和頻率響應(yīng)法控制系統(tǒng)。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂摘 要磁懸浮系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性、自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，其控制器性能的好壞直接影響磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用，其研究涉及控制理論、電磁場理論、電力電子技術(shù)、數(shù)字信號處理以及計算機(jī)科學(xué)等眾多領(lǐng)域。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本文首先分析了磁懸浮系統(tǒng)的工作原理，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和線性化模型，并在此基礎(chǔ)上利用MATLAB軟件以及其中的SIMULINK仿真工具箱對模型開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。目前，各國已廣泛開展了對磁懸浮控制系統(tǒng)的研究隨著控制理論的不斷完善和發(fā)展，采用先進(jìn)的控制方法對磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行的控制和設(shè)計，使系統(tǒng)具有更好的魯棒性。磁懸浮球是一種典型的單自由度磁懸浮系統(tǒng)，只需一個自由度控制即可實現(xiàn)球的穩(wěn)定懸浮。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。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。這種方式主要運動于超導(dǎo)磁懸浮列車的懸浮裝置上。磁懸浮列車以其在經(jīng)濟(jì)、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(jìn)展，技術(shù)逐漸成熟[3]。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。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。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(jìn)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。其中感應(yīng)型磁懸浮電機(jī)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(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子與轉(zhuǎn)子之間通過機(jī)械軸承連接，在轉(zhuǎn)子運動過程中存在機(jī)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(jī)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(jī)氣隙不均勻，繞組發(fā)熱，溫升增大，從而降低電機(jī)效能，最終縮短電機(jī)使用壽命。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[6]。另外，磁懸浮技術(shù)在其他方面也有著突出的進(jìn)展，例如：磁懸浮主軸系統(tǒng)、磁懸浮隔振系統(tǒng)、磁懸浮研磨技術(shù)等等。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。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)。鑒于智能控制器的眾多優(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[11]。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[12]。磁懸浮實驗本體主要由以下幾部分組成：支柱、電磁鐵、傳感器、LED光源發(fā)生器和懸浮體（鋼球）。功率放大器的作用是根據(jù)控制器的輸出向電磁鐵線圈提供電流。磁懸浮試驗平臺采用的電磁鐵是單繞組結(jié)構(gòu)，當(dāng)無任何外力干擾時，激勵線圈內(nèi)有一定的偏置電流，由功放提供偏電流，當(dāng)有外力干擾或重力干擾時，通過改變線圈的電流來保證鋼球的穩(wěn)定懸浮。但是這種平衡是一種不穩(wěn)定平衡，因為電磁鐵與鋼球之間的電磁力的大小與它們之間的距離X成反比，只要平衡狀態(tài)稍微受到擾動(如：加在電磁鐵線圈上的電壓產(chǎn)生脈動，周圍的振動、風(fēng)等)，就會導(dǎo)致鋼球掉下來或被電磁鐵吸住。球在豎直方向的動力學(xué)方程可以描述為： （）式中：x—磁極到小球的氣隙，單位：m； m—小球的質(zhì)量，單位：Kg； F(i，x)—電磁力，單位：N。根據(jù)電磁場能量公式可得： ()將式()代入式()并取偏導(dǎo)得到電磁力表達(dá)式如下： ()假設(shè)鋼球重力方向為正方向，根據(jù)受力平衡有： () 將式()代入式()得： ()假設(shè)鋼球在平衡位置時x＝X，i＝I，則有如下關(guān)系成立： ()由式()可以看出，對于給定的電流，鋼球的懸浮位置X也為一確定值，整理式()可得偏置電流： () 已知x＝，I＝將電磁力方程在平衡位置處泰勒展開，略去高階項得到線性化方程如下 () 其中， ()將電磁力方程式()代入式()可得： () 從而有以下方程成立： ()把式()代入式()得出線性化以后的方程： ()根據(jù)平衡方程 ，可得到： ()將式()代入式()得： () 該式即為磁懸浮開環(huán)系統(tǒng)的電流控制模型。因此為了準(zhǔn)確分析磁懸浮系統(tǒng)，從另一方面分析電壓控制模型也很有意義。綜上所訴，描述磁懸浮系統(tǒng)系統(tǒng)的方程可完全由下面方程確定。Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)[14]。 開環(huán)階躍響應(yīng)仿真圖，此系統(tǒng)是一開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，當(dāng)有一微小擾動時，小球?qū)⑵x平衡位置。 閉環(huán)階躍仿真框圖、PID控制器、功率放大器和控制對象。那么。第四節(jié) 本章小結(jié) 本章首先對磁懸浮球系統(tǒng)進(jìn)行分析，介紹了磁懸浮系統(tǒng)的組成，對其工作原理進(jìn)行介紹。其控制規(guī)律為： ()或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式 ()式中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)[15]。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：①比例環(huán)節(jié) 即是成比例地反映控制系統(tǒng)地偏差信號e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。數(shù)字PID控制由于數(shù)字處理器只能計算數(shù)字量，無法進(jìn)行連續(xù)PID運算，所以若使用數(shù)字處理器來實現(xiàn)PID算法，則必須對PID算法進(jìn)行離散化。T為采樣周期，k為采樣序號，k＝1，2，……，e（k－1）和e（k）分別為第（k－1）和k時刻所得的偏差信號。而PID控制方案由于它的靈活性和適應(yīng)性很強(qiáng)，在工程上更加易于實現(xiàn)。PID參數(shù)整定一般有兩種方法，理論設(shè)計法和實驗確定法。根據(jù)理論可知： 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，各參數(shù)的作用如下： ?比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。?微分作用系數(shù)Kd的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，其作用主要是在系統(tǒng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行響應(yīng)。 ?加入積分環(huán)節(jié) 如果只用比例控制，系統(tǒng)的靜差不能滿足要求，則只需加入積分環(huán)節(jié)整定時，先將比例系數(shù)減小10％—20％，以補(bǔ)償加入積分環(huán)節(jié)作用而引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，然后由大到小調(diào)節(jié)Ki ，在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下消除靜差。三、磁懸浮系統(tǒng)中的PID控制對于磁懸浮試驗系統(tǒng)輸出量為小球的位置x，其平衡位置為x0（在被控范圍內(nèi)可任意設(shè)定）。 ?調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kd，使增快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間Kp=（Ki=,Kd=） Kp=（Ki=,Kd=） Kp改變的階躍響應(yīng)圖?調(diào)節(jié)參數(shù)Ki，使更快的消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差Ki=（Kp=,Kd=） Ki=（Kp=,Kd=） Ki改變的階躍響應(yīng)圖?調(diào)節(jié)參數(shù)Kd，以保證系統(tǒng)的動態(tài)性能Kd=（Kp=,Ki= Kd=（Kp=,Ki=） Kd改變的階躍響應(yīng)圖、圖4和圖5可知，Kp越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，可減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間；Ki越大，系統(tǒng)靜差消除越快；Kd能有效地減少超調(diào)。1948年，并且在控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用[20]。在設(shè)計線性控制系統(tǒng)時，可以根據(jù)對系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求確定可調(diào)整參數(shù)以及系統(tǒng)開環(huán)零極點的位置，即根軌跡法可以用于系統(tǒng)的分析和綜合。根軌跡法較正是基于根軌跡分析法，通過增加新的（或者消去原有的）開環(huán)零點或者開環(huán)極點來改正原根軌跡走向，得到新的閉環(huán)極點從而使系統(tǒng)可以實現(xiàn)給定的性能指標(biāo)來達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求的。其結(jié)果是系統(tǒng)穩(wěn)定性得到改善，系統(tǒng)的動態(tài)性能變好，系統(tǒng)的平穩(wěn)性得到滿足。其中，三個開環(huán)極點分別為：P1=，P2=，P3=。結(jié)合上面所畫圖形，需要使得每條根軌跡都要存在于s左半平面，因此，首先添加一新零點將根軌跡往左移動：那么，可以增加一補(bǔ)償裝置。那么，校正裝置的傳遞函數(shù)為： ()其中，為待定補(bǔ)償增益值。第三節(jié) 頻率響應(yīng)控制器的設(shè)計和調(diào)試一、頻率響應(yīng)法的基本概念和分析當(dāng)輸入信號是階躍信號或脈沖信號時，常采用響應(yīng)曲線分析方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。頻率分析法也適應(yīng)于線性定常系統(tǒng)，由于時間信號在變換域中為無窮多頻譜成分的線性組合，而線性定常系統(tǒng)滿足疊加原理，所以，分析、研究線性系統(tǒng)對于時間信號的所有頻譜成分的響應(yīng)特性，就是頻率分析的應(yīng)用目的。另外，還可以用的模和幅值來表示為 ()式中，為的幅值； ，為的相位。這樣，一復(fù)變函數(shù)來表示的頻率特性常常以和來表示。因此，頻率特性有以下兩種作圖表示方法：極坐標(biāo)圖，又稱為幅相圖、奈奎斯特圖；對數(shù)坐標(biāo)圖，又稱為波德圖。且由式()看出，系統(tǒng)在s右半平面有一極點，所以，此系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng)。 bode圖,穩(wěn)態(tài)性能明顯不滿足，需要將開環(huán)增益大小向上提升。根據(jù)響應(yīng)速度要求，選擇校正后系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率。 校正后跟軌跡圖 此時。然后，通過實驗和計算相結(jié)合，求出根軌跡和頻率響應(yīng)補(bǔ)償裝置的具體傳遞函數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償校正，并確定其相關(guān)參數(shù)使各性能滿足要求。然后，根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對系統(tǒng)作開環(huán)和閉環(huán)進(jìn)行仿真。致 謝畢業(yè)設(shè)計完成了，在這個過程中我學(xué)到了很多東西。從導(dǎo)師那里學(xué)到的不僅僅是專業(yè)知識，更重要的是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的責(zé)任感及和藹熱情的品質(zhì)。[7] this was then made mathematical by Minorsky. The Navy ultimately did not adopt the system, due to resistance by personnel. Similar work was carried out and published by several others in the 1930s. Initially controllers were pneumatic, hydraulic, or mechanical, with electrical systems later developing, with wholly electrical systems developed following W