磁悬浮系统的PID控制

磁悬浮系统的PID控制

本科毕业设计（论文）题目: 磁悬浮系统的PID控制

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华科学院

摘要

磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点，在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。

本设计毕业设计在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立其数学模型，并以此为研究对象，设计了PID控制器，确定控制方案，运用MATLAB软件进行仿真研究，得出较好的控制参数。最后，本文对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。

关键词：磁悬浮系统控制器MATLAB软件PID控制

Abstract

Magnetic suspension technology, which has a series of advantages such as contact-free, no friction, no wear, no need of lubrication and long life expectancy, is widely concerned and adopted in high-tech areas such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life science．On the basis of analyzing of magnetic 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 studies.The key research works for further study are proposed at last．

Key Word：Magnetic Levitation Ball System Digital Controller MATLAB PID Control

目录

摘要................................................................ I ABSTRACT ........................................................... III 第1章绪论. (1)

1.1磁悬浮技术综述 (1)

1.1.1 前言 (1)

1.1.2 磁悬浮方式的分类 (1)

1.1.3 控制方式的分类 (2)

1.1.4 磁悬浮技术的应用及展望 (2)

1.2课题的提出及意义 (6)

1.3本论文的工作及主要内容 (6)

第2章磁悬浮系统的结构与建模 (9)

2.1简介 (9)

2.1.1 磁悬浮实验本体 (9)

2.1.2 磁悬浮实验电控箱 (10)

2.1.3 磁悬浮实验平台 (10)

2.2磁悬浮系统的基本结构 (11)

2.3磁悬浮系统工作原理 (11)

2.4磁悬浮系统的数学模型 (12)

2.4.1 控制对象的运动方程 (12)

2.4.2 系统的电磁力模型 (12)

2.4.3 电磁铁中控制电压与电流的模型 (13)

2.4.4 电磁铁平衡时的边界条件 (14)

2.4.5 电磁铁系统数学模型 (14)

2.4.6 电磁铁系统物理参数 (15)

2.5本章小结 (15)

第3章控制器设计 (17)

3.1控制器方案选择 (17)

3.1.1 电流控制器 (17)

3.1.2 电压控制器 (17)

3.1.3 方案的确定 (18)

3.2PID控制器设计 (18)

3.2.1 PID控制器 (19)

3.2.2 改进型PID算法的应用 (20)

3.2.3 PID控制器参数整定 (22)

3.3本章小结 (23)

第4章基于MATLAB的控制系统仿真 (25)

4.1引言 (25)

4.2MATLAB软件简介 (25)

4.3选用此软件的缘由 (26)

4.4S IMULINK仿真系统 (26)

4.5MATLAB下数学模型的建立 (27)

4.6开环系统仿真 (27)

4.7闭环系统仿真 (28)

4.8PID参数现场实验法整定 (32)

4.9本章小结 (36)

第5章总结与展望 (37)

参考文献 (39)

致谢 (41)

第1章绪论

1.1 磁悬浮技术综述[1]

1.1.1 前言

磁悬浮技术属于自动控制技术，它是随着控制技术的发展而建立起来的。磁悬浮的作用是利用磁场力使某一物体沿着或绕着某一基准框架的一轴或几轴保持固定位置。由于悬浮体和支撑之间没有任何接触，克服了由摩擦带来的能量消耗和速度限制，具有寿命长、能耗低、无污染、无噪声、不受任何速度限制、安全可靠等优点，因此目前世界各国已广泛开展磁悬浮控制系统的研究。随着控制理论的不断完善和发展，采用先进的控制方法对磁悬浮系统进行的控制和设计，使系统具有更好的鲁棒性。随着电子技术的发展，特别是电子计算机的发展，带来了磁悬浮控制系统向智能化方向的快速发展。

目前，关于磁悬浮技术的研究与开发在国内外都处于快速发展之中。磁悬浮技术从原理上来说不难以理解，但是真正将其产业化却是近几年才开始的。1.1.2 磁悬浮方式的分类

一般而言，磁悬浮可分为以下3种主要的应用方式：

a.电磁吸引控制悬浮方式

这种控制方式利用了导磁材料与电磁铁之间的吸力，几乎绝大部分磁悬浮技术采用该技术。虽然原理上这种吸引力是一种不稳定的力，但通过控制电磁铁电流的大小，可以将悬浮气隙保持在一定数值上。随着现代控制理论的发展和驱动元器件高性能、低价格化，该方式得到了广泛应用。在此基础上也有研究人员提出了把需要大电流励磁的电磁铁部分替换成可控型永久磁铁的方案，并深入的进行了研究和开发工作。该方案可以大幅度的降低励磁损耗，甚至在额定悬浮高度时不需要能量，是一种非常值得注目的新技术。

b.永久磁铁斥力悬浮方式

这种控制方式利用永久磁体间的斥力，一般产生斥力为1kg/cm2，所以被称为永久磁体斥力悬浮方式。当然，根据所用的磁材料的不同，其产生的斥力相应变化。但是，由于横向位移的不稳定因素，需要从力学角度来安排磁铁的位置。