【正文】 ................................................................... 22 PID 參數(shù)整定 ............................................................................................................. 26 磁懸浮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制 ........................................................................................... 30 第 5 章 結(jié) 論 ...................................................................................................................... 33 參 考 文 獻(xiàn) ............................................................................................................................ 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(dòng)控制技術(shù)，它是隨著控制技術(shù)的發(fā)展而建立起來(lái)的。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě) 2）工程設(shè)計(jì)類(lèi)題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合 國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。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(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。在分析磁懸浮系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理的基礎(chǔ)上，建立了磁懸浮小球控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了 PID 控制器，運(yùn)用 MATLAB 軟件進(jìn)行仿真，得出較好的控制參數(shù)，并對(duì)磁懸浮控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，結(jié)果表明了設(shè)計(jì)方法的有效性。 目前，關(guān)于磁懸浮技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)外都處于快速發(fā)展之中。近年來(lái)隨著稀土材料的普及，該方式將會(huì)更多的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。另外，磁懸浮隔振器、磁懸浮電機(jī)等相關(guān)技術(shù)也都發(fā)展迅速，進(jìn)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(gè)載人的氣墊車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它是最早對(duì)磁懸浮列車(chē)進(jìn)行研究的系統(tǒng) [5]。我國(guó)對(duì)磁懸浮列車(chē)的研究工作比較晚， 1989 年 3 月，國(guó)防科技大學(xué)研制出我國(guó)第一臺(tái)磁懸浮實(shí)驗(yàn)樣車(chē)。如磁懸浮電機(jī)應(yīng)用在生命科學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)在國(guó)外已研制成功的離心式和振動(dòng)式磁懸浮人工心臟血泵，采用無(wú)機(jī)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(wèn)題。同時(shí)由于磁懸浮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高，對(duì)于很復(fù)雜的控制算法無(wú)法在工程上實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)，模糊邏輯理論，在非線性系統(tǒng)辨識(shí)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(shí)研究也逐漸深入，但由于磁懸浮的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高，系統(tǒng)辨識(shí)一般需要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，目前在磁懸浮系統(tǒng)的辨識(shí)研究還沒(méi)有應(yīng)用于實(shí)際控制系統(tǒng)中。軟件的可重用性好，后續(xù)的開(kāi)發(fā)不必從頭開(kāi)始； （ 2）能在圖形界面下開(kāi)發(fā)，充分利用 PC 機(jī)的開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)，有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持，可輕松實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度。此系統(tǒng)可以分為磁懸浮實(shí)驗(yàn)本體、電控箱及由數(shù)據(jù)采集卡和普通 PC 機(jī)組成的控制平臺(tái)等三大部分 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 磁懸浮實(shí)驗(yàn)電控箱 電控箱內(nèi)安裝有如下主要部件：直流線性電源、傳感器后處理模塊、電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊、空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、開(kāi)關(guān)、指示燈等電氣元件 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 第 2 章 磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與建模 9 磁懸浮系統(tǒng)工作原理 電磁鐵繞組中通以一定的電流會(huì)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力相平衡，鋼球就可以懸浮于空中而處于平衡狀態(tài) [13]。 電磁鐵平衡時(shí)的邊界條件 當(dāng)小球處于平衡狀態(tài)時(shí)，其加速度為零，即所受合力為零，小球的重力等于小球受到的向上的電磁吸引力， 即 [15]： 20xx0( , ) ( )im g F i x K x?? (210) 電磁鐵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 綜上所訴，描述磁懸浮系統(tǒng)的方程可完全由下面方程確定： ? ?22120000( , )( ) ( )( , ) ( )( , ) ( )dxm mg F i xdtd i tU t Ri t LdtiF i x Kximg F i x Kx?????? ?????????? ???? ???? (211) 對(duì)電、力學(xué)關(guān)聯(lián)方程線性化后，設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)變量為 1 2 3,x x x x x i?? ? ?，則系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為： 1130022320033110 1 002200100x xk i k iX x x Um x m xxxR LL????????? ?????? ???? ?????? ? ? ? ? ?????? ???? ??? ? ??? ???? ????????? (212) 磁懸浮小球的 PID 控制 12 轉(zhuǎn)化成傳遞函 數(shù)形式： 1 21323 1 1 3/( ) ( ) kLG s C s I A B D s k s k s k k?? ? ? ? ? ? ? (213) 2001 2 3320 0 122,k i k i Rk k km x m x L? ? ? ? ? (214) 式中0x為小球平衡位置，單位為 m； 0i 為平衡電流，單位為 A。 電壓控制器 如果磁懸浮控制系統(tǒng)采用電壓放大器，功率放大器輸出的是電壓。 綜合考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于大多數(shù)小型系統(tǒng)而言，電流控制是可以滿足的，特別是當(dāng)功率放大器的峰值輸出電壓成倍地高出工作點(diǎn)電壓時(shí)，允許忽略放大器中電流控制回路的動(dòng)力學(xué)影響。 (1)模擬 PID 控制 PID 控制器在時(shí)域的輸入輸出關(guān)系為： 01 ( )( ) ( ) ( )tpdid e tu t K e t e t d t dt????? ? ?????? (35) 對(duì)應(yīng) PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ( ) 1( ) 1()c p diUsG s K sE s s ????? ? ? ????? (36) 式中 pK為比例增益， i? 為積分時(shí)間常數(shù)，d?為微分時(shí)間常數(shù)， ()ut為控制量， ()et為控制偏差。 微分時(shí)間常數(shù)d?主要影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，采用增量式 PID 控制算法。 ： ?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。 ?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(shí)，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(dòng)態(tài)性能的情況下消除靜差。此平臺(tái)難以克服其硬件成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、延續(xù)性差、對(duì)用戶(hù)軟件、硬件能力要求高等缺點(diǎn)。 Simulink 是運(yùn)行在 MATLAB 環(huán)境下的用以對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成軟件包。它功能強(qiáng)大，使用方便，已經(jīng)在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 g=。0 0 R/L]。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真 在 Simulink 中的把在新建文件中的各個(gè)模塊連接起來(lái)，進(jìn)行仿真。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。最終系統(tǒng)的仿真框圖如圖 所示。 1 .3 。因而pk影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。 3。 k d = 0 . 0 0 1t /sy (a)1。 k d = 0 . 5t /sy (c)1。 磁懸浮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制 實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)在 MATALB Simulink 環(huán)境下 進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)軟件下的實(shí)驗(yàn)步驟如下： 1）打開(kāi)磁懸浮系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制框圖如圖 所示。 第 5 章 結(jié) 論 33 第 5 章 結(jié) 論 磁懸浮技術(shù)以其特有的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的研究，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)域具有廣泛的應(yīng)用背景。 磁懸浮小球的 PID 控制 34 35 參 考 文 獻(xiàn) [1] 許杰．基于 PC 機(jī)的磁懸浮控制系統(tǒng)研究 [D]．南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文， 20xx. [2] 劉立恒．磁懸浮列車(chē)的 PID 控制器的設(shè)計(jì) [J]．浙江萬(wàn)里學(xué)院學(xué)報(bào)， 20xx,18（ 2. [3] 楊鋒力．單自由度磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制研究 [D]．中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 .20xx. [4] 何衍慶，姜捷，江艷君、鄭瑩．控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用 —— MATLAB 語(yǔ)言的應(yīng)用 [M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 20xx. [5] 姚小偉．磁懸浮系統(tǒng)的控制研究 [D]．哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文， 20xx. [6] 王義進(jìn)，席文明．磁懸浮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研 究 [J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制（工業(yè)控制），20xx,15(5). [7] 尚玲艷．基于 MATLAB 的鋼板磁懸浮控制系統(tǒng)研究 [D]．上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文， 20xx. [8] 劉茹．基于 FPGA 的磁浮列車(chē)空氣彈簧控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [D]．西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文， 20xx. [9] 劉偉，張紅輝．控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) [J]．周口師范學(xué)院學(xué)報(bào)，20xx,25(2). [10] 呂輝榜．基于 MATLAB 快速控制原型的磁懸浮控制系統(tǒng)研究 [D]．武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文， 20xx. [11] 張波．基于 MATLAB 的磁懸浮球數(shù)字控制器的研究 [D]．河海大學(xué)碩士學(xué)位論文，20xx. [12] 劉克平，吳建軍． H∞魯棒模糊控制在磁懸浮球系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]．長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)）， 20xx,29(4). [13] 蔡君．實(shí)現(xiàn)基于 xPC 的磁懸浮網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái) [D]．東南大學(xué)碩士學(xué)位論文， 20xx. [14] 張宏，李德才，孫明，許海平，何新智．磁懸浮球的實(shí)驗(yàn)研究 [J]．運(yùn)城學(xué)報(bào)， . [15] 上官霞南．永磁偏置磁懸浮球及其控制系統(tǒng) [D]．哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，20xx. [16] 魏克新、王云亮、陳志敏． MATLAB 語(yǔ)言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20xx. [17] 徐渠．磁懸浮系統(tǒng)的控制 [J]．研究科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 20xx. [18] 孫亮，楊鵬．自動(dòng)控制原理 [M]．北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社， 20xx. 36 37 致 謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了，在這個(gè)過(guò)程中我學(xué)到了很多東西。 真心祝愿他們幸福安康！ 再次感謝幫助過(guò)我的同學(xué)和老師，謝謝你們！ 38 。 本論文的主要工作有以下： 在分析磁懸浮系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 根據(jù)自動(dòng)控制理論，分析了控制器對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的影響，利用 MATLAB 軟件設(shè)計(jì)出了 PID 控制器； 對(duì)磁懸浮控制系統(tǒng)做了仿真研究。 磁懸浮小球的 PID 控制 32 圖 控制器輸出電壓 由圖 可知，小球穩(wěn)定時(shí)，控制器輸出電壓穩(wěn)定在 ~ 附近。 1p i dK K K? ? ? 圖 PID 中的參數(shù) dK變化時(shí)系統(tǒng)閉環(huán) 階躍響應(yīng) 由圖 得知，微分作用主要是響應(yīng)系統(tǒng)誤差變化速率的，主要是在系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程中當(dāng)誤差向某個(gè)方向變化時(shí)起制動(dòng)作用。 5p i dK K K? ? ? 磁懸浮小球的 PID 控制 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1000 . 20 . 40 . 60 . 811 . 21 . 4