【正文】 致 謝畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了，在這個(gè)過程中我學(xué)到了很多東西。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。這樣，一復(fù)變函數(shù)來表示的頻率特性常常以和來表示。那么，校正裝置的傳遞函數(shù)為： ()其中，為待定補(bǔ)償增益值。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(diǎn)或者開環(huán)極點(diǎn)來改正原根軌跡走向，得到新的閉環(huán)極點(diǎn)從而使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)給定的性能指標(biāo)來達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的。三、磁懸浮系統(tǒng)中的PID控制對(duì)于磁懸浮試驗(yàn)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）。PID參數(shù)整定一般有兩種方法，理論設(shè)計(jì)法和實(shí)驗(yàn)確定法。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(hào)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。 閉環(huán)階躍仿真框圖、PID控制器、功率放大器和控制對(duì)象。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。磁懸浮試驗(yàn)平臺(tái)采用的電磁鐵是單繞組結(jié)構(gòu)，當(dāng)無任何外力干擾時(shí)，激勵(lì)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(shí)，通過改變線圈的電流來保證鋼球的穩(wěn)定懸浮。鑒于智能控制器的眾多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)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(jì)，現(xiàn)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了模糊控制器的設(shè)計(jì)并已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證[11]。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]。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(shí)現(xiàn)的可能。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。、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(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，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。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。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(jì)和調(diào)節(jié)，以及用根軌跡法和頻率響應(yīng)法控制系統(tǒng)。近年來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。原計(jì)劃在漢堡和柏林之間修建第一條時(shí)速為400km的磁懸浮鐵路，總長(zhǎng)度為248km，預(yù)計(jì)2003年正式投入運(yùn)營(yíng)。現(xiàn)在，美國(guó)、法國(guó)、日本、瑞士和我國(guó)都在大力支持開展磁懸浮技術(shù)的研究工作，國(guó)際上的這些努力，推動(dòng)了磁懸浮技術(shù)在工業(yè)的廣泛應(yīng)用。第四節(jié) 本章小結(jié) 本章對(duì)磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行了概述，介紹了磁懸浮技術(shù)的分類和應(yīng)用背景以及在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，同時(shí)，對(duì)磁懸浮控制方法現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)以及對(duì)其未來趨勢(shì)進(jìn)行展望。因此必須對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 動(dòng)力方程 電學(xué)方程 電學(xué)、力學(xué)方程 邊界方程對(duì)電、力學(xué)關(guān)聯(lián)方程線性化，將電磁力在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行泰勒展開，并忽略高階項(xiàng)得： ()式()中表示在平衡點(diǎn)處(氣隙為、電流為)剛體的電磁力；系數(shù)表示電流變化單位量時(shí)電磁力變化的值，表示氣隙變化單位長(zhǎng)度時(shí)電磁力變化值，則得到 ()在電磁鐵繞組中，電壓u的變化為 ()式中表示平衡點(diǎn)的電感， ()那么，可以得到 ()設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)變量為，則系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)形式： ()其中： 式中： —小球平衡位置，單位：m —平很電流，單位：A系統(tǒng)實(shí)際模型參數(shù)為：那么，由此可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)： ()磁懸浮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型在MATLAB下的編程實(shí)現(xiàn)，變量num、den分別為開環(huán)傳遞函數(shù)的分子和分母系數(shù)，A、B、C、D為狀態(tài)空間方程的響應(yīng)矩陣。 功率放大器的傳遞函數(shù)為： ()。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)可以通過首先用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)出性能比較滿意的模擬調(diào)節(jié)器，然后通過離散化方法得到[17]。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但是容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；Kp的值過小，將使系統(tǒng)的靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。結(jié)合以上規(guī)律多次試驗(yàn)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)PID參數(shù)，當(dāng)Kp、此時(shí)系統(tǒng)的上升時(shí)間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間等動(dòng)態(tài)性能綜合相對(duì)較好。③增加偶極子對(duì)系統(tǒng)的影響實(shí)軸上有一對(duì)距離很近的開環(huán)零點(diǎn)和極點(diǎn)，則把他們稱為偶極子。當(dāng)輸入時(shí)正弦周期函數(shù)信號(hào)時(shí)，改變輸入信號(hào)的頻率，可得到系統(tǒng)輸出與輸入振幅之比和頻率的關(guān)系和輸出與輸入相位差和頻率的關(guān)系，這兩種關(guān)系稱為系統(tǒng)的頻率特性。其中，由于波德圖由于方便使用，被廣泛地應(yīng)用于控制系統(tǒng)分析時(shí)的作圖。 階躍響應(yīng)曲線 、校正后雖然系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定，而且相應(yīng)速度也相對(duì)較快，可是系統(tǒng)來回振蕩也較大，可以犧牲一定的響應(yīng)速度來減小振蕩。另外，我還要特別感謝我們班級(jí)的同學(xué)，是他們給了我巨大的支持和幫助 讓我在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中學(xué)習(xí)到了很多東西，并順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此向他們表示真誠(chéng)的感謝！ 特別要感謝我的家人，他們無私的愛和關(guān)懷讓我一天天成長(zhǎng)，一步步前進(jìn)，在此向他們致以最誠(chéng)摯的祝福!在未來的人生征程上，我將以加倍的努力來回報(bào)他們的關(guān)愛。 本文分析了磁懸浮球系統(tǒng)的工作原理基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的控制原理對(duì)磁懸浮球系統(tǒng)進(jìn)行分析，由此建立了不同的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較，選擇合適的數(shù)學(xué)模型。 由于的實(shí)部和虛部分別都是的函數(shù)，所以可以表示為： ()式中，為的實(shí)部； 為的虛部。增加開環(huán)零點(diǎn)，可以也改變?cè)懈壽E的實(shí)軸分布法則，可以使得原系統(tǒng)根軌跡的整體走向在s平面上向左移，增加系統(tǒng)的平穩(wěn)性。根軌跡法具有直觀的特點(diǎn)，利用系統(tǒng)的根軌跡可以分析結(jié)構(gòu)和參數(shù)已知的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)特性，還可分析參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。其具體整定步驟如下： ?整定比例系數(shù) 先將PID 控制器其中的Kd 為0，Ki為無窮，使之成為比例控制器，再將比例系數(shù)由小變大觀察相應(yīng)的響應(yīng)，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到4：1衰減的響應(yīng)曲線，最優(yōu)比例系數(shù)由此確定。由于目前混合磁懸浮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性還不能完全被人們掌握，很難得到系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，難以滿足應(yīng)用控制理論進(jìn)行分析和綜合的各種要求。第三章 控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試第一節(jié) PID控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試一、PID控制基礎(chǔ)模擬PID控制PID（Proportional、Integral and Differential）控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成空置量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 傳遞函數(shù)賦值。建立系統(tǒng)模型就是分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)物理規(guī)律，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法將其規(guī)律準(zhǔn)確表達(dá)。為了消除傳感器電路中的高頻噪音，在傳感器電路中還帶有低通濾波器，其時(shí)間常數(shù)很小，對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。近年來，一些先進(jìn)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?yàn)榇艖腋≥S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[9]。國(guó)外自90年代中期開始對(duì)其進(jìn)行了研究，相繼出現(xiàn)了永磁同步型磁懸浮電機(jī)、開關(guān)磁阻型磁懸浮電機(jī)、感應(yīng)型磁懸浮電機(jī)等各種結(jié)構(gòu)。目前，各國(guó)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。近年來，磁懸浮技術(shù)開始由宇航、軍事等領(lǐng)域向一般工業(yè)應(yīng)用方面發(fā)展，廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如：磁懸浮列車、磁懸浮隔振器、磁懸浮軸承、高速機(jī)床進(jìn)給平臺(tái)、磁懸浮硬盤、飛輪電池等。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。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。 近年來，磁懸浮技術(shù)作為新興機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展迅速，與其它技術(shù)相比，磁懸浮技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式的運(yùn)動(dòng)控制，避免了機(jī)械接觸，減少損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；②無需潤(rùn)滑，可以省去泵、管道、過濾器、密封元件；③功耗低，減少了損耗；④定位、控制精度高，其上限取決于位移傳感器的精度；⑤清潔無污染[2]。高速磁懸浮電機(jī)高速磁懸浮電機(jī)是近年提出的一個(gè)新研究方向，它集磁懸浮軸承和電動(dòng)機(jī)于一體，具有自懸浮和餐動(dòng)能力，不需要任何獨(dú)立的軸承支撐，且具有體積小、臨界轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，更適合于超高速運(yùn)行的場(chǎng)合，也適合小型乃至超小型結(jié)構(gòu)。以上問題都對(duì)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。本論文所用的磁懸浮試驗(yàn)平臺(tái)采用的是渦流傳感器，鋼球相對(duì)于平衡位置的距離經(jīng)過渦流傳感器檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為電壓量，再由信號(hào)放大器放大輸出。 電磁鐵電感曲線 電磁鐵通電后所產(chǎn)生的電感與小球到磁極面積的氣隙有如下關(guān)系： （) 由式()可知： () 又因?yàn)?故有： () 根據(jù)基爾霍夫電壓定律有： () 式中:—為線圈自身的電感，單位H —為平衡點(diǎn)處的電感，單位H —小球到磁極面積的氣隙，單位m —電磁鐵中通過的瞬時(shí)電流，單位A R—電磁鐵的等效電阻，單位Ω三、電流控制模型在磁懸浮系統(tǒng)中，對(duì)電磁力采用兩種控制策略：電流控制控制方式和電壓控制方式。 開環(huán)階躍仿真框圖 其中。最后，對(duì)所得控制對(duì)象的模型進(jìn)行開環(huán)控制仿真和閉環(huán)控制仿真。增量式PID控制算法表達(dá)式為： ()PID控制是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，通過長(zhǎng)期的工程實(shí)踐總結(jié)形成的一種控制方法。工程實(shí)驗(yàn)法步驟 在工程實(shí)驗(yàn)時(shí)，參考各參數(shù)對(duì)控制過程的響應(yīng)趨勢(shì)，實(shí)行先比例，后積分，在微分的反復(fù)調(diào)整。這種方法叫根軌跡法。由理論知識(shí)可知，增加開環(huán)極點(diǎn)，可以改變?cè)懈壽E的實(shí)軸分布法則，可以改變?cè)懈壽E的實(shí)軸分布情況；其次，可以使得原系統(tǒng)根軌跡的整體走向在s平面上向右移。由于，令s的實(shí)部為零時(shí)，就可以得到另一個(gè)復(fù)變函數(shù)表示為 ()復(fù)變函數(shù)的自變量為頻率，因此將其稱為頻率特性。那么，可以根據(jù)頻率校正法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。本文旨在對(duì)磁懸浮球系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行研究。真心祝愿他們幸福安康！再次感謝幫助過我的同學(xué)和老師，謝謝你們！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，2007[2] 劉立恒．磁懸浮列車的PID控制器的設(shè)計(jì)[J]．浙江萬里學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,18（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．2005[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語言的應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003[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，2007[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），2007,15(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，2006[8] 劉茹．基于FPGA的磁浮列車空氣彈簧控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]．西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文，2006[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)，2008,25(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，2008[11] ZiJiang，Kouichi Miyazaki，Shunshoku Kanae，Kiyoshi Wada．Robust Position Control of a Magnetic Levitation System via Dynamic Surface Control Technique[J]．IEEE TRANSACTIONS ONINDUSTRIAL ELECTRONICS，2004,51(1)[12] 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，2005[13] Walter Barie，John Chiasson．Linear and nonlinear statespace magnetic levitation[J]．International Journal of systems，1996,27(11)[14] 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)），2008,29(4)[15] 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，2007[16] 張宏，李