【正文】 行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。作者簽名： 日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）：理工類設計（論文）正文字數不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等）。、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，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。由于磁懸浮系統對實時性的要求很高，在很大程度限制了先進控制算法的開發(fā)和應用。本文首先分析了磁懸浮系統的工作原理，建立了系統的數學模型和線性化模型，并在此基礎上利用MATLAB軟件以及其中的SIMULINK仿真工具箱對模型開環(huán)和閉環(huán)系統進行了仿真。【關鍵詞】磁懸浮球 PID控制器 根軌跡 頻率響應ABSTRACTThe magnetic levitation system is a plex, nonlinear, naturally unstable system. And the controller’s performance directly influences the wide applications of the magnetic levitation technology. The research on such a system involves control theory, electromagnetism, electric and electronic technology, digital signal processing, puter science and so on. Because the magnetic levitation system’s real time demand is rigorous, the development and application of advanced controllers is limited. In order to meet the requirement of plex controller and improving the realtime performance, this paper introduces the magnetic levitation control system based on the singlefreedomdegree magnetic levitation ball system, then established the mathematic model and its controller is studied, and expected totter control effect.This paper analyses the working principle of maglev system, establishing the mathematic model of the system and the linear model, and on the basis of using the software MATLAB, and SIMULINK tool to model and the closedloop system is simulated. Then, according to the system transfer function in building system under the environment of SIMULINK openloop transfer function, the design and adjustment of the PID controller, and with the root locus method and the method of frequency response controlled control system.【key words】Magnetic levitation ball PID controller Root locus Frequency response目 錄前 言 1第一章 磁懸浮系統的概述 2第一節(jié) 磁懸浮的分類及應用前景 2第二節(jié) 磁懸浮技術的研究現狀 3第三節(jié) 磁懸浮的控制方法和發(fā)展趨勢 4第二章 磁懸浮系統的分析和建模 6第一節(jié) 磁懸浮系統的分析 6第二節(jié) 磁懸浮系統的工作原理 6第三節(jié) 磁懸浮系統的建模 7一、控制對象的運動方程 7二、電磁鐵中控制電壓與電流的模型 8三、電流控制模型 9四、電壓控制模型 11第三節(jié) 磁懸浮球系統的搭建 14一、開環(huán)系統搭建 14二、閉環(huán)系統搭建 15第四節(jié) 本章小結 17第三章 控制器的設計和調試 18第一節(jié) PID控制器的設計和調試 18一、PID控制基礎 18二、PID控制參數整定 19三、磁懸浮系統中的PID控制 21第二節(jié) 根軌跡控制器的設計和調試 23一、根軌跡法的基本概念和原理 23二、磁懸浮系統的根軌跡校正 24第三節(jié) 頻率響應控制器的設計和調試 27一、頻率響應法的基本概念和分析 27二、磁懸浮系統中的頻率響應 29第四節(jié) 本章小結 33結 論 34致 謝 35參考文獻 36附 錄 38一、英文原文 38二、英文翻譯 47三、源程序 54 55 前 言磁懸浮技術是將電磁學、機械學、動力學、電子技術、自動控制技術、傳感技術、檢測技術和計算機科學等高新技術有機結合在一起，成為典型的機電一體化技術。目前，各國已廣泛開展了對磁懸浮控制系統的研究隨著控制理論的不斷完善和發(fā)展，采用先進的控制方法對磁懸浮系統進行的控制和設計，使系統具有更好的魯棒性。隨著電子技術的發(fā)展，特別是電子計算機的發(fā)展，帶來了磁懸浮控制系統向智能化方向的快速發(fā)展。磁懸浮球是一種典型的單自由度磁懸浮系統，只需一個自由度控制即可實現球的穩(wěn)定懸浮。同時，對單自由度磁懸浮球進行研究是研究磁懸浮技術的一個有效方法，它是多自由度磁懸浮裝置簡化和去耦，在研究各種控制器算法，運用新技術方面具有很重要的作用，可以為較為復雜系統的設計與調試提供硬件和軟件的準備。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值上。在此基礎上也有研究人員將需要大電流勵磁的電磁鐵部分換成可控型永久磁鐵，這樣可以大幅度降低勵磁損耗。由于橫向位移的不穩(wěn)定因素，需要從力學角度來安排磁鐵的位置。③感應斥力方式這種控制方式利用了磁鐵或勵磁線圈和短路線圈之間的斥力，簡稱感應斥力方式。這種方式主要運動于超導磁懸浮列車的懸浮裝置上。 近年來，磁懸浮技術作為新興機電一體化技術發(fā)展迅速，與其它技術相比，磁懸浮技術具有如下優(yōu)點：①能夠實現非接觸式的運動控制，避免了機械接觸，減少損耗，延長設備使用壽命；②無需潤滑，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]。磁懸浮列車以其在經濟、環(huán)保等方面的優(yōu)勢被認為是二十一世紀交通工具的發(fā)展方向，德國和日本在這方面已經取得很大的進展，技術逐漸成熟[3]。另外，磁懸浮隔振器、磁懸浮電機等相關技術也都發(fā)展迅速，進入了工業(yè)應用領域[4]。隨著技術的發(fā)展，特別是固體電學的出現，使原來是十分龐大的控制設備變得十分輕巧，這就是給磁懸浮列車技術提供了實現的可能。在制造磁懸浮列車的角逐中，日本和德國是兩大競爭對手。1999年4月日本研制的超導磁懸浮列車在實驗線上達到時速552km，德國經過20年的努力技術上已趨成熟，已具有建筑哦運營線路的水平。但由于資金計劃穩(wěn)態(tài)，2002年宣布停止了這一計劃。1995年，我國第一條磁懸浮實驗線在西南交通大學建成，并且成功進行了穩(wěn)定懸浮、導向、驅動控制和載人運行等時速為300km的實驗。高速磁懸浮電機高速磁懸浮電機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，具有自懸浮和餐動能力，不需要任何獨立的軸承支撐，且具有體積小、臨界轉速高等特點，更適合于超高速運行的場合，也適合小型乃至超小型結構。其中感應型磁懸浮電機具有結構簡單，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的電機是由定子和轉子組成，定子與轉子之間通過機械軸承連接，在轉子運動過程中存在機械摩擦，增加了轉子的摩擦阻力，使得運動部件磨損，產生機械振動和噪聲，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。磁懸浮電機的研究越來越受到重視，并有一些成功的報道。磁懸浮血泵的研究不僅為解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活質量，而且為人類延續(xù)生命具有深遠意義[6]。1988年召開了第一屆國際磁懸浮軸承會議，此后兩年一次[7]。另外，磁懸浮技術在其他方面也有著突出的進展，例如：磁懸浮主軸系統、磁懸浮隔振系統、磁懸浮研磨技術等等。第三節(jié) 磁懸浮的控制方法和發(fā)展趨勢磁懸浮從技術實現的角度可以分為三類，即主動式、被動式與混合式磁懸浮技術[8]。就目前工業(yè)應用角度而言，主動式磁懸浮技術與混合式磁懸浮技術占主體地位，主動式磁懸浮技術和混合式磁懸浮技術中的控制方法是其技術的核心，控制器的性能直接決定了懸浮體的性能指標，例如精度、剛度、阻尼特性、抗干擾能力等。以上問題都對磁懸浮系統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。同時由于磁懸浮系統的實時性要求很高，對于很復雜的控制算法無法在工程上實現。近年來，隨著工業(yè)水平的提高，很多先進控制方法應用到自動化領域：①非線性控制：非線性控制是復雜控制系統理論中的一個難點，對于磁懸浮系統在本質上是非線性的，目前大多數的控制方法是在平衡點附近線性化得到近似的系統模型，再根據此模型設計控制器，但這樣的控制方法并不能完全達到工程需要，有學者采用非線性狀態(tài)反饋線性化的方法進行控制器的設計，國外有學者通過簡化非線性電磁力學方程設計非線性控制器，并通過試驗驗證了控制器的可行性[10]。鑒于智能控制器的眾多優(yōu)點，國內外很多學者都開始了磁懸浮系統智能控制器的設計，現階段已經實現了模糊控制器的設計并已經在實驗中得到了驗證[11]。辨識、狀態(tài)估計和控制理論是現代控制理論三個相互滲透的領域。近年來，神經網絡辨識，模糊邏輯理論，在非線性系統辨識中的應用以及在基礎理論方面的研究工作，使得有關磁懸浮系統的辨識研究也逐漸深入，但由于磁懸浮的系統的實時性要求較高，系統辨識一般需要耗費大量的計算時間，目前在磁懸浮系統的辨識研究還沒有應用于實際控制系統中[12]。第二章 磁懸浮系統的分析和建模第一節(jié) 磁懸浮系統的分析磁懸浮球裝置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、數字控制器和控制對象鋼球等元件組成[13]。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）。本論文所用的磁懸浮試驗平臺采用的是渦流傳感器，鋼球相對于平衡位置的距離經過渦流傳感器檢測后轉換為電壓量，再由信號放大器放大輸出。功率放大器的作用是根據控制器的輸出向電磁鐵線圈提供電流。為了避免電感的滯后作用，磁懸浮試驗平臺采用的是電壓－電流功率放大器，功率放大器的輸出與電磁鐵線圈相連，直接控制線圈的電流。磁懸浮試驗平臺采用的電磁鐵是單繞組結構，當無任何外力干擾時，激勵線圈內有一定的偏置電流，由功放提供偏電流，當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。第二節(jié) 磁懸浮系統的工作原理磁懸浮球實驗系統是一個典型的吸浮式懸浮系統。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生脈動，周圍的振動、風等)，就會導致鋼球掉下來或被電磁鐵吸住。用光電源和傳感器組成的測量裝置檢測鋼球與電磁鐵之間的距離變化，當鋼球受到擾動下降，鋼球與電磁鐵之間的距離x增大，傳感器輸出電壓增大，經控制器計算、功率放大器放大處理后，使電磁鐵繞組中的控制電流相應增大，電磁力增大，鋼球被吸回平衡位置，反之亦然。球在豎直方向的動力學方程可以描述為： （）式中：x—磁極到小球的氣隙，單位：m； m—小球的質量，單位：Kg； F(i，x)—電磁力，單位：N。 電磁鐵電感曲線 電磁鐵通電后所產生的電感與小球到磁極面積的氣隙有如下關系： （) 由式()可知： () 又因為 故有： () 根據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中，對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。根據電磁場能量公式可得： ()將式()代入式()并取偏導得到電磁力