磁悬浮系统的PID控制
磁悬浮列车系统的控制与优化
磁悬浮列车系统的控制与优化一、引言磁悬浮列车技术是目前国际上最前沿的高速轨道交通技术，其最大的特点是可实现极高的列车运行速度和舒适性。
然而，磁悬浮列车的控制与优化技术一直是该领域的研究热点，其关系到磁悬浮列车的能效、安全性和运行稳定性等重要方面。
二、磁悬浮列车系统的控制磁悬浮列车系统的控制主要包括列车位置控制、速度控制和车辆稳定性控制三个方面。
（一）列车位置控制磁悬浮列车系统中的列车位置控制是该系统的基础，其主要目的是维持列车在轨道上的稳定位置。
该控制系统通常采用PID控制器进行控制，其中P-项对应列车位置误差，I-项对应位置偏差的积分项，D-项对应位置变化率。
（二）速度控制磁悬浮列车系统中的速度控制是该系统的重要部分，其主要目的是实现列车在不同运行段的平稳加速和减速。
该控制系统通常采用全闭环控制，即通过速度传感器反馈控制信号，控制列车磁悬浮汽车的加速度。
（三）车辆稳定性控制磁悬浮列车系统中的车辆稳定性控制是该系统的重要保障，其主要目的是避免列车因外部环境因素产生摆动等异常情况。
该控制系统通常采用反馈控制策略，通过控制列车的倾斜角度实现车辆稳定性的控制。
三、磁悬浮列车系统的优化磁悬浮列车系统的优化是该系统的核心，其主要目的是实现列车能耗的最小化和性能指标的最大化。
（一）能耗最小化磁悬浮列车系统的能耗最小化是其优化过程中的重要目标。
主要包括列车空气阻力的最小化、磁悬浮汽车的节能和列车能量回收等方面。
其中，列车空气阻力的最小化通常采用外形优化和速度优化策略，即通过列车的设计和速度规划等手段减少列车受到的空气阻力。
磁悬浮汽车的节能主要通过列车的轻量化和电力系统的优化实现。
（二）性能指标的最大化磁悬浮列车系统的性能指标包括列车的运行速度、可靠性和舒适性等方面。
优化过程中，需要实现这些指标的最大化。
其中，列车运行速度的最大化可通过列车动力系统的优化和轨道的设计等方面实现。
列车可靠性的最大化需要通过列车系统的管理和维护等方面实现。
系统的PID控制(含实例)
由于根据洛伦兹力原理的激励器的力与电流之间是线性的关系可知电磁力g eff F B IL = （1）用弹簧和阻尼系统来代替连接线，系统在施加主动控制之前的运动微分方程是其中n ω=，2n c m ζω==，系统的传递函数为()()()2221nn b f s s s X s X s G ωζω++==取参数ζ=0.2，2n ωπ=，则系统的伯德图为由于连接线产生的扰动力()()u f b f b f k x x c x x =----给系统施加加速度PID 控制和相对位移控制后，系统的数学模型为f u cp ca m x f f f =--传递函数为特征方程是320a p p p aaac c c k k i s s s m m m m m m ++++++=+++要是系统稳定，特征方程的根必须有负实部。
通过调节PID 参数，使系统处于最佳的状态。
2.磁悬浮的开环控制模型 磁悬浮力方程图1由图可知单边通电线圈对衔铁产生的磁悬浮力，可近似表示为2204x N A I F x μ⎛⎫=⎪⎝⎭（1） 式中，0μ为真空磁导率，N 为线圈匝数，A 为铁心与气隙的横截面面积，I 为电流，x 为气隙大小。
设浮子处于平衡位置时的气隙为0g ，当衔铁离开平衡位置向电磁铁方向产生偏移量x ，则通过减小流进绕组的电流i 来调节使衔铁回复到平衡位置，把电流表示成0I I i =-。
在转子位移变化很小（x<<g o ）时，将其线性化得x x i F K x K i =⋅+⋅ （2） 式中，3220030x AN I K g μ=为位移刚度系数；2020o i AN I K g μ=为电流刚度数。
其拉普拉斯变换为：()()()x x i F s K X s K I s =⋅+⋅ （3）3.电磁绕组端电压方程由于衔铁位移变化时，其电磁线圈的自感系数也要变化，即常导电磁线圈的电感系数是转子位移x 的函数，因此其端电压（或电流）也是转子位移x 的函数。
磁浮列车悬浮系统PID自整定控制研究的开题报告
磁浮列车悬浮系统PID自整定控制研究的开题报告一、选题背景和意义：磁浮列车是一种基于磁悬浮的高速交通工具，在当今世界上已经得到广泛应用。
磁悬浮列车因其速度快、运行平稳、不受路面状况影响等特点，被视为21世纪城市快速交通主要发展方向之一。
磁浮列车的悬浮系统是其运行的基础，因此其稳定性和控制是极其关键的。
PID 控制作为一种经典的控制方法，已经得到广泛的应用。
在磁浮列车悬浮系统中，一般采用使用PID控制算法进行控制。
本课题旨在研究磁浮列车悬浮系统PID自整定控制方法，探索其对磁浮列车运行平稳性和控制精度的影响，以及其在实际工程应用中的可行性和优越性。
二、研究内容和方法：本研究主要内容为磁浮列车悬浮系统PID自整定控制的实验研究，具体包括以下方面：1、磁浮列车悬浮系统基本原理和控制思想的介绍；2、PID控制算法的原理和应用；3、PID自整定的原理和方法；4、PID自整定在磁浮列车悬浮系统控制中的应用实验研究；5、研究结果分析和展望。
本研究采用实验研究与理论分析相结合的方法，包括理论推导、MATLAB仿真、实验测试等多种手段，对磁浮列车悬浮系统PID自整定控制方法进行研究和评估。
三、研究预期成果：通过本研究，预期达到以下目标：1、研究并掌握磁浮列车悬浮系统的基本原理和控制思想；2、深入了解PID控制算法原理及自整定方法；3、研究并掌握PID自整定在磁浮列车悬浮系统控制中的应用方法；4、通过实验测试，验证PID自整定在磁浮列车悬浮系统控制中的效果，并分析其影响因素和优劣；5、总结研究结果，提出进一步完善和拓展的研究方向。
四、研究进度安排：1、第一周：了解磁浮列车悬浮系统的基本原理和控制思想。
2、第二周：学习PID控制算法的原理和应用。
3、第三周：深入了解PID自整定方法。
4、第四周至第八周：进行磁浮列车悬浮系统PID自整定控制的仿真研究。
5、第九周至第十一周：进行实验测试，并对测试数据进行分析。
6、第十二周至第十四周：撰写毕业设计论文，准备答辩。
磁悬浮系统建模和PID控制器设计
《Matlab仿真技术》设计报告题目磁悬浮系统建模及其PID控制器设计专业班级电气工程及其自动化 11**班学号 7学生 **指导教师 ** 学院名称电气信息工程学院完成日期： 2014 年 5 月 7 日磁悬浮系统建模及其PID控制器设计Magnetic levitation system based on PIDcontroller simulation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。
随着磁悬浮技术的广泛应用，对磁悬浮系统的控制已成为首要问题。
本设计以PID 控制为原理，设计出PID控制器对磁悬浮系统进行控制。
在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立磁悬浮控制系统的数学模型，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，得出较好的控制参数，并对磁悬浮控制系统进行实时控制，验证控制参数。
最后，本设计对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。
PID控制器自产生以来，一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器。
目前大多数工业控制器都是PID控制器或其改进型。
尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现，但PID控制器还是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点，处于主导地位。
关键字：磁悬浮系统；PID控制器；MATLAB仿真一、磁悬浮技术简介1.概述：磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，磁悬浮看起来简单，但是具体磁悬浮悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。
由于磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。
伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进一步的研究，磁悬浮随之解开了其神秘一方面。
1900年初，美国，法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营的若干猜想--也就是磁悬浮的早期模型。
磁悬浮系统的非线性PID控制
控制工程Control Engineering of China Nov.2007Vol.14,No.62007年11月第14卷第6期文章编号:1671 7848(2007)06 0653 04收稿日期:2006 08 05; 收修定稿日期:2006 08 27作者简介:刘恒坤(1975 ),男,重庆人,博士,主要研究方向为磁悬浮控制等方面的教学与科研工作。
磁悬浮系统的非线性PID 控制刘恒坤,郝阿明,常文森(国防科技大学磁悬浮技术研究中心,湖南长沙 410073)摘 要:在磁悬浮控制系统中采用线性PID 控制方法时,如果只是靠增加比例反馈来提高系统的刚度,很可能降低系统的性能,有时甚至会引起系统不稳定。
为了提高PID 控制方法的刚度,同时又不影响系统的性能,提出了一种非线性PID 反馈控制方法。
线性PID 控制方法的控制量是通过位置和速度的线性组合来求取,而非线性PID 控制的控制量是通过位置和速度的非线性组合来求取,因此采用位置和速度信号的指数组合形式来求取控制量。
非线性PID 控制方法相对于线性PID 控制方法的最大优势是其刚度大、抗外力冲击能力强。
实验结果验证了非线性PID 控制方法的优越性。
关 键 词:磁悬浮系统;非线性;PID中图分类号:TP 273 文献标识码:ANonlinear PID Control of Magnetic Suspension SystemsLI UHeng kun,HAO A ming,C HANG Wen sen(Engineering Researc h Center of Maglev,National Uni versity of Defense Technol ogy,Changsha 410073,China)Abstract:When PID control approach is applied to magnetic suspension sys tem,the performance of the system is likely degraded and the instability of the sys tem may occur if only increasing the proporti on feedback to enhance the system stiffness.In order to solve the problem between the stiffness and the sys tem performance,a nonlinear PID control method is introduced.The control item of linear PID control is the linear com bination of position and velocity,while the control item of nonlinear PID control is the nonlinear combination of posi tion and velocity.The ad vantages of nonli near PID control over linear PID control are high sti ffness and di sturbance resisting ability.The experimental results show the superiority of nonli near PID control method.Key words:magnetic suspension system;nonlineari ty;PID1 引 言磁悬浮系统的用途非常广泛,比如磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬挂天平、磁悬浮隔振[1]等。
高速列车磁悬浮系统的稳定性分析与控制
高速列车磁悬浮系统的稳定性分析与控制高速列车磁悬浮系统是一种新型的交通工具，以磁悬浮技术为基础实现悬浮运行，具备高速、低能耗、低噪音等优势。
然而，由于列车磁悬浮系统的复杂性和外界环境的变化，需要对其稳定性进行深入分析与控制，以确保系统的运行安全和可靠性。
首先，对高速列车磁悬浮系统的稳定性进行分析是非常重要的。
磁悬浮系统的稳定性主要包括悬浮稳定性和横向稳定性两个方面。
悬浮稳定性是指列车在运行过程中与轨道之间的保持恒定的空气间隙，而横向稳定性则是指列车在运行过程中保持平稳的横向位置。
为了保证悬浮稳定性，需要对电磁铁力与列车重力之间的平衡进行精确控制，通过传感器对列车位置进行反馈，在系统中引入控制算法来实现悬浮高度的控制。
而横向稳定性则依赖于悬浮电磁铁的定位和控制系统，在列车运行过程中对其横向位置进行精确控制，以确保列车的平稳运行。
其次，对高速列车磁悬浮系统的稳定性进行控制是必不可少的。
控制系统是指通过传感器获取列车运行状态信息，并通过控制算法对电磁铁力进行调节的系统。
为了实现稳定的悬浮和运行，可采用PID控制、模糊控制或自适应控制等方法。
其中，PID控制算法是最常用的一种方法，可通过调节比例、积分和微分三个参数来实现对系统的稳定控制。
模糊控制则是一种基于模糊逻辑的控制方法，通过建立模糊规则集和模糊推理来实现对系统的精确控制。
自适应控制则是通过监测系统的状态和参数变化，自动调整控制参数，以适应外界环境变化和系统的动态特性。
这些控制方法可以结合使用，通过多个控制环节来实现对高速列车磁悬浮系统的稳定性控制。
此外，对高速列车磁悬浮系统的稳定性分析与控制还需考虑其他因素。
例如，温度对系统的稳定性会产生影响，因此需要进行温度补偿的设计。
同时，机械结构的稳定性以及气动效应等也需要进行综合考虑。
对于磁悬浮列车来说，风力对其稳定性的影响尤为重要，可以通过改变列车形状、增加外部防护以及控制系统的调整来降低风力对列车稳定性的影响。
磁悬浮小球的PID控制
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
研究方法
理论分析与实验相结合
主要技术指标(或研究目标)
学会控制系统控制特性进行分析的一般方法和步骤，在此基础上选择合适的控制算法；
掌握一般控制系统PID控制算法的仿真研究和实验过程中控制器参数的调节方法。
教研室
意见
教研室主任（专业负责人）签字：年月日
说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日
导师签名：日期：年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
太原科技大学华科学院毕业设计（论文）任务书
学院（直属系）：电子信息工程系时间：2013年2月27日
学生姓名
指导教师
设计（论文）题目
磁悬浮小球系统的PID控制
主要研
究内容
掌握磁悬浮小球实验装置的软、硬件结构，能分析系统的控制特性；理解PID控制算法的理论知识和PID控制现场调试方法；能运用PID控制算法实现磁悬浮小球系统的稳定控制。
磁悬浮列车系统中的控制算法研究
磁悬浮列车系统中的控制算法研究磁悬浮列车（Maglev）是一种未来性的高速列车，其利用强磁场产生的浮力和引力来悬浮列车，从而使列车在没有接触任何轨道的情况下快速行驶。
磁悬浮列车通常可以达到非常高的运行速度，比如日本的磁浮列车已经成功地达到了603公里每小时的速度，而德国也在积极地研究和发展磁悬浮列车技术。
然而，磁悬浮列车系统中存在一个关键的问题，那就是如何设计一种高效、稳定和可控制的控制算法，从而保证列车的安全和准确性。
磁悬浮列车的控制算法通常分为两种，一种是基于传统的PID控制的算法，另一种是基于模型预测控制（MPC）算法。
传统的PID控制算法是一种经典的控制算法，被广泛应用于各类工业控制领域。
在磁悬浮列车控制中，PID算法主要通过对列车的加速度、速度和位置进行反馈控制，从而调整列车的电磁悬浮力和永磁励磁力。
通过对列车的反馈，系统可以快速地调整列车的运行状态，从而保持列车的稳定性。
然而，传统的PID算法存在一些限制，比如无法处理复杂的非线性系统、对模型参数敏感以及无法自适应地调整参数等。
为解决这些限制，通常使用更高级的控制算法，如模型预测控制算法。
模型预测控制算法是一种先进的控制算法，被广泛应用于复杂的动态系统中。
与PID算法相比，MPC算法具有更强的自适应性、可预测性和适应性，从而可以更精确地预测列车的运行状态，并进行更精确的控制。
在磁悬浮列车系统中，MPC算法主要通过对列车的动态特性进行建模，从而预测列车的运行状态，并根据预测结果进行控制。
而且，MPC算法还可以实现更高级的控制目标，如最优控制和多目标控制等。
然而，无论是传统的PID算法还是先进的MPC算法，均需要处理磁悬浮列车系统中的一些非常复杂的问题。
比如，由于磁悬浮列车具有强的非线性特性，因此通常需要对列车的动态特性进行建模、仿真和验证，才能确定最佳控制算法。
此外，还需要考虑列车的路线、速度、载荷等因素，以便确定最佳的调节量和最优控制策略。
磁悬浮平台的解耦模糊PID控制
磁悬浮平台的解耦模糊PID控制
胡汉辉;谭青
【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(040)004
【摘要】介绍差动式磁悬浮平台的结构与工作原理,建立磁悬浮平台的数学模型.采用输入输出空间变量变换实现平台3自由度的解耦,研究磁悬浮平台的模糊PID控制.该控制方法根据不同的偏差E、偏差变化率EC对PID参数Kp,Ki和Kd进行自校正,给出了Kp,Ki和Kd的模糊规则表.实验结果表明:平台的阶跃响应超调量很小,约为6%,上升时间约为0.1 s,稳态误差约为2%:当平台被迫向下偏移0.2 mm时,系统仍能快速回到平衡位置且稳定悬浮,系统具有很好的刚度阻尼特性和鲁棒性.【总页数】6页(P963-968)
【作者】胡汉辉;谭青
【作者单位】中南大学,机电工程学院,湖南,长沙,410083;湖南工业职业技术学院,电气工程系,湖南,长沙,410082;中南大学,机电工程学院,湖南,长沙,410083
【正文语种】中文
【中图分类】TM273.1
【相关文献】
1.基于改进粒子群优化的主动磁悬浮轴承模糊PID控制 [J], 姜宏伟;赵耀
2.直线电机驱动的磁悬浮平台推力动态解耦控制 [J], 刘德君;郭庆鼎;翁秀华
3.新型混合励磁磁悬浮进给平台的解耦控制研究 [J], 杨红兵;余思佳;戴跃洪;谢耿
琳;李晶
4.基于输入解耦的6DOF磁悬浮平台悬浮高度的H∞控制 [J], 郭庆鼎;刘德君;赵希梅
5.模糊PID控制在电磁悬浮平台中的应用 [J], 许良琼;陆新江;李群明
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采用PID控制器设计磁悬浮小球控制系统
仿真图形
▪ 仿真图形
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仿真结果分析
▪ 仿真结果分析
▪
在系统未加PID控制后，系统开环不稳定，当有一微
小扰动时，小球将偏离平衡位置；在系统加入PID控制后，
设置其参数，如图8所示，系统的各项性能指标都得到了提
高，最终到达稳定,从而实现了对磁悬浮小球系统稳定性控
制的目的。
系统传函
▪ 以小球位移为输出，电压为输入，可得系统的传递函数为
：
k2
G(s)
s3
k3s2
k1 k1s k1k3
k 0 AN 2
2
k1
2ki02 m x03
k2
2ki0 m x02
PHale Waihona Puke ge ▪ 4k3R L
未加PID 时的仿真结果
▪ 仿真图 如图所示
如图所示，系统开环不稳定
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求磁悬浮小球系统的传递函数
▪ 描述磁悬浮小球系统的方程可由下面方程确定：
m d 2 x(t) mg F (i, x) dt 2
F (i, x) 0 AN2 i 2
2 x
m
g
F
i0 ,
x0
0
AN 2
2
i0 x0
2
U t Rit L di(t)
dt
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利用PID来改善磁悬浮小球控制系统的性能。
▪ 利用MATLAB设计具有PID调节器的磁悬浮小球控制系统， 其控制系统简图如图4所示。
在Matlab中的Simulink环境下，建立系统 的控制总方框图，如图7所示
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磁悬浮系统建模及其PID控制器设计
《Mａtlab仿真技术》设计报告题目磁悬浮系统建模及其PID控制器设计专业班级电气工程及其自动化１1**班学号 2学生姓名 *＊指导教师＊*学院名称电气信息工程学院完成日期： 201４年 5 月 7 日磁悬浮系统建模及其ＰＩD控制器设计Magneｔｉc leｖｉtatiｏn systｅm bａｓe ｄon PＩD controｌlｅr sｉmulａtion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、机械工业与生命科学等高科技领域有着广泛得应用背景。
随着磁悬浮技术得广泛应用,对磁悬浮系统得控制已成为首要问题。
本设计以PID 控制为原理,设计出PＩD控制器对磁悬浮系统进行控制。
在分析磁悬浮系统构成及工作原理得基础上,建立磁悬浮控制系统得数学模型，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，得出较好得控制参数，并对磁悬浮控制系统进行实时控制，验证控制参数。
最后,本设计对以后研究工作得重点进行了思考，提出了自己得见解。
PＩD控制器自产生以来,一直就是工业生产过程中应用最广、也就是最成熟得控制器。
目前大多数工业控制器都就是PID控制器或其改进型。
尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现,但PID控制器还就是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点,处于主导地位。
关键字:磁悬浮系统;ＰID控制器;MＡTＬAB仿真一、磁悬浮技术简介1、概述:磁悬浮就是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮得平衡状态,磁悬浮瞧起来简单,但就是具体磁悬浮悬浮特性得实现却经历了一个漫长得岁月。
由于磁悬浮技术原理就是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体得典型得机电一体化高新技术。
伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料得发展与转子动力学得进一步得研究，磁悬浮随之解开了其神秘一方面。
1900年初,美国，法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营得若干猜想--也就就是磁悬浮得早期模型。
磁悬浮平台系统的P-Fuzzy-PID控制
改 善 系 统 的 动 态 性 能 ， 用 积 分 控 制 可 以 消 除 静 差 ， 系 统 稳 态 性 能 变 好 。 仿 真 结 果 表 明 用 Ｐ Ｆ ｚｙＰ 应 使 —ｕｚ—Ｉ
维普资讯
２０ 年第１ 期 ０６ ２
文 章 编 号 ：０ １ ２ ６ （０ ６ １ ０ ４ ０ １０ — ２５ ２ ０ ）２— ０ ５— ３
・ 制 与检 测 ・ 控
磁 悬 浮 平 台 系统 的 ＰＦ ｚ —Ｉ 制 术 －ｕｚ ＰＤ控 ｙ
杨 霞， 吴红波 ， 李新叶 ， 郭庆鼎
（ 阳工 业大学 电气工 程学 院 ， 阳 １０ ２ ） 沈 沈 １０ ３
摘 要 ： 悬 浮 平 台 控 制 系 统 是 典 型 的 非 线 性 迟 滞 系 统 ， 以 获 得 精 确 数 学 模 型 ， 纯 采 用 经 典 Ｐ Ｄ 控 制 磁 难 单 Ｉ 或 Ｆ ｚｙ控 制 难 以 满 足 系 统 的 快 速 性 、 定 性 、 棒 性 等 要 求 。 文 章 针 对 磁 悬 浮 平 台 系 统 的 特 点 ， 用 了 ｕｚ 稳 鲁 采
方 法 对 悬 浮 平 台进 行 控 制 ， 以 得 到 理 想 的 控 制 效 果 。 可
关 键 词 ： 悬 浮 平 台 系统 ； —ｕｚ—Ｉ 制 ： 线 电 机 磁 Ｐ Ｆ ｚｙＰ 控 直
中 图 分 类 号 ：Ｐ ７ Ｔ２ ３
文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｐ－ Ｆｕｚ ｙ・ Ｄ ｎｔ ｏ ｎ ａ ｅ ｉ ｚ・ ＰＩ Ｃｏ ｒ ｌｉ ａ Ｍ ｇｎ ｔｃ Ｓｕｓ ｎｓｏ ａ ｆ ｒ Ｓｙ ｔ ｍ ｐｅ ｉ ｎ Ｐｌｔｏ ｍ ｓｅ
磁悬浮小球的PID控制
太原科技大学华科学院毕业设计（论文）任务书
学院（直属系）：电子信息工程系时间：2013年2月27日
学生姓名
指导教师
设计（论文）题目
磁悬浮小球系统的PID控制
主要研
究内容
掌握磁悬浮小球实验装置的软、硬件结构，能分析系统的控制特性；理解PID控制算法的理论知识和PID控制现场调试方法；能运用PID控制算法实现磁悬浮小球系统的稳定控制。
研究方法
理论分析与实验相结合
主要技术指标(或研究目标)
学会控制系统控制特性进行分析的一般方法和步骤，在此基础上选择合适的控制算法；
掌握一般控制系统PID控制算法的仿真研究和实验过程中控制器参数的调节方法。
教研室
意见
教研室主任（专业负责人）签字：年月日
说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。
②永久磁铁斥力悬浮方式
这种控制方式利用永久磁体之间的斥力，根据所用的磁材料的不同，其产生的斥力也有所差别。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。近年来随着稀土材料的普及，该方式将会更多的应用于各个领域。
③感应斥力方式
这种控制方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间的斥力，简称感应斥力方式。为了得到斥力，励磁线圈和短路线圈之间必须有相对的运动。这种方式主要运动于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。但是，在低速时由于得不到足够的悬浮力，限制了这种方式的广泛应用。
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。
1.2
磁悬浮可分为以下3种主要应用方式[2]：
磁悬浮系统的PID控制
1.2 课题的提出及意义 ................................ 错误!未定义书签。 1.3 本论文的工作及主要内容 .......................... 错误!未定义书签。 第 2 章 磁悬浮系统的结构与建模 ........................ 错误!未定义书签。 2.1 简介 ............................................ 错误!未定义书签。
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．
1.1 磁悬浮技术综述 .................................. 错误!未定义书签。 1.1.1 前言 ........................................ 错误!未定义书签。 1.1.2 磁悬浮方式的分类 ............................ 错误!未定义书签。 1.1.3 控制方式的分类 .............................. 错误!未定义书签。 1.1.4 磁悬浮技术的应用及展望 ...................... 错误!未定义书签。
磁悬浮系统控制算法及实现
磁悬浮系统控制算法及实现磁悬浮技术是近年来发展较快的一种交通方式，其具有速度快、运行平稳、能耗低等优势，而磁悬浮系统的控制算法是保证其运行效率和安全的重要组成部分。
本文将介绍磁悬浮系统的控制算法及其实现。
1.磁悬浮系统的基本原理磁悬浮列车由车体、轨道和控制系统三部分组成，车体利用电磁铁和超导磁体产生反向磁场，与轨道之间形成非接触式磁悬浮，实现列车对轨道的悬浮和牵引。
磁悬浮列车的速度控制和位置控制主要由控制系统实现。
磁悬浮系统的控制算法主要有三种：PID控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法。
（1）PID控制算法：PID控制算法是一种经典的控制算法，可以实现对磁悬浮系统的位置和速度进行精确控制。
PID控制器根据实时反馈的位置和速度信息，计算出控制量，调节电流和磁力，实现对车体的位移和速度控制。
（2）模糊控制算法：模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制算法，可以对复杂系统进行控制。
磁悬浮系统的控制过程中，受到诸多外部干扰，如风力、地震等，模糊控制算法可通过模糊推理技术实现对干扰信号的有效抑制。
（3）神经网络控制算法：神经网络控制算法是一种基于人工神经网络的控制算法，可以对非线性系统进行较为准确的控制。
磁悬浮系统的非线性特性较为显著，神经网络控制算法可通过训练神经网络模型，实现对磁悬浮系统的精确控制。
磁悬浮系统的实现主要包括硬件和软件两个方面。
（1）硬件实现：磁悬浮系统的硬件主要由电磁铁、超导磁体、传感器和控制器等组成。
其中，电磁铁和超导磁体负责实现磁悬浮和牵引，传感器主要用于测量车体的位置和速度等信息，控制器则根据传感器反馈的信息计算控制器并实现对磁悬浮系统的控制。
（2）软件实现：磁悬浮系统的软件实现主要包括控制程序、监控程序和故障处理程序等。
控制程序编写了磁悬浮系统的控制算法，实现对车体位置和速度的精确控制；监控程序则负责监测磁悬浮系统的运行状态，及时发现故障并进行处理；故障处理程序则在系统运行过程中出现故障时进行自动处理，避免对整个系统造成不利影响。
磁悬浮原理及控制
magnetic suspension technique本文介绍磁悬浮主轴系统的组成及工作原理，提出了一种在常规PID基础上的智能PID控制器的新型数字控制器设计。
其核心部件是TI公司的TMS320LF2407A，设计了五自由度磁悬浮主轴系统的硬件总体框图。
用C2000作为开发平台，设计在常规PID基础上的智能PID控制器。
理论分析结果表明：这种智能PID控制器能实现更好控制效果，达到更高的控制精度要求。
1 引言主动磁悬浮轴承(AMB，以下简称磁轴承)是集众多门学科于一体的，最能体现机电一体化的产品。
磁悬浮轴承与传统的轴承相比具有以下优点：无接触、无摩擦、高速度、高精度。
传统轴承使用时间长后，磨损严重，必须更换，对油润滑的轴承使用寿命会延长、但时间久了不可避免会出现漏油情况，对环境造成影响，这一点对磁悬浮轴承就可以避免，它可以说是一种环保型的产品。
而且磁轴承不仅具有研究意义，还具有很广阔的应用空间：航空航天、交通、医疗、机械加工等领域。
国外已有不少应用实例。
磁悬浮轴承系统是由以下五部分组成：控制器、转子、电磁铁、传感器和功率放大器。
其中最为关键的部件就是控制器。
控制器的性能基本上决定了整个磁悬浮轴承系统的性能。
控制器的控制规律决定了磁轴承系统的动态性能以及刚度、阻尼和稳定性。
控制器又分为两种：模拟控制器和数字控制器。
虽然国内目前广泛采用的模拟控制器虽然在一定程度上满足了系统的稳定性，但模拟控制器与数字控制器相比有以下不足：(一)调节不方便、(二)难以实现复杂的控制、(三)不能同时实现两个及两个以上自由度的控制、(四)互换性差，即不同的磁悬浮轴承必须有相对应的控制器、(五)功耗大、体积大等。
磁轴承要得到广泛的应用，模拟控制器的在线调节性能差不能不说是其原因之一，因此，数字化方向是磁轴承的发展趋势。
同时，要实现磁轴承系统的智能化，显然模拟控制器是难以满足这方面的要求。
因此从提高磁轴承性能、可靠性、增强控制器的柔性和减小体积、功耗和今后往网络化、智能化方向发展等角度，必须实现控制器数字化。
磁悬浮实验报告
开放性试验：《磁悬浮原理实验仪制作及PID控制》试验报告实验内容：学生通过磁悬浮有关知识的学习，根据已有的试验模型，设计出磁悬浮实验仪器，并进行制作，进而在计算机上用PID技术进行调节和控制。
难点：PID控制程序的编写及调试。
创新点：该实验以机械学院数控所得科研成果为依托，以一种新颖的方式，用磁悬浮小球直观的展示了PID控制理论的应用。
该仪器构造简单，成本低廉。
此实验综合应用了电磁场、计算机、机械控制等相关知识，具有一定的研究创新性特点。
该仪器有望成为中学物理实验仪器，和高校PID 控制实验仪器。
关键问题1.悬浮线圈的优化设计2.磁悬浮小球系统模型3.磁悬浮小球的PID控制电磁绕组优化设计小球质量：钢小球质量：15~20g小球直径：15mm悬浮高度：3mm要求：根据悬浮高度、小球大小、小球重量设计悬浮绕组绕组铁芯尺寸、线圈匝数、额定电流、线径。
电磁绕组优化设计：由磁路的基尔霍夫定律、毕奥-萨格尔定律和能量守恒定律，可得电磁吸力为：式中：μ0——空气磁导率，4πX10-7H/m ； A ——铁芯的极面积，单位m2； N ——电磁铁线圈匝数；z ——小球质心到电磁铁磁极表面的瞬时气隙，单位m ； i ——电磁铁绕组中的瞬时电流，单位A 。
功率放大器中放大元器件的最大允许电压为15V 。
为了降低功率放大器件上的压力差，减少功率放大器件的发热，设定悬浮绕组线圈电压该值为12V 。
约束条件：U ＝12V 电流、电压与电阻的关系电阻：L ——漆包线的总长度/m S ——漆包线的横截面积/m2d ——线径的大小/mε是漆包线线的电阻率，查表可知： ε＝1.5*1.75*e-8，单位：Ω*m根据线圈的结构，可以得出漆包线的总长度为：2202⎪⎭⎫⎝⎛-=z i AN F μUi R=L R Sε=214S d π=11()ni L L a id dπ==+∑ 线圈的匝数为：综上所述，电磁力为：在线圈骨架几何尺寸和所加的电压固定的情况下，线圈漆包线线径d 越大，漆包线的长度L 越小，电磁力F 越大 。
永磁悬浮轨道侧向力控制系统的DMC-PID控制策略
控制两侧悬浮架导向轮的伸缩，实时调整车载磁 体和磁轨之间的横向位移状态，最终实现车载磁 体和磁轨磁体两者位置对中，此时悬浮侧向力趋 近于 0。
图 2 永磁体对中具体控制策略框图 Fig. 2 Block diagram of specific control strategy for permanent magnet alignment
收稿日期：2020-07-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61763016) 通信作者：杨杰(1979−)，男，安徽蚌埠人，副教授，博士，从事智能控制、磁浮轨道交通系统研究；E−mail：15405993@
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铁道科学与工程学报
2021 年 stability of the permanent magnet levitation train. Key words: permanent magnetic levitation track; lateral force; digital hydraulic cylinder; DMC-PID cascade control
1 永磁悬浮轨道弯道侧向力控制 系统
1.1 弯道侧向力控制原理与策略
控制原理：永磁悬浮列车弯道运行状态示意
图如图 1 所示。当悬浮列车经过弯道时，由于离心
作用悬浮架会向远离圆心方向偏移，将产生悬浮
侧向力。悬浮列车向心力 F向心 由天梁给悬浮架的 支持力 F支 与悬浮架发生偏移后悬浮侧向力 F侧向 的 合力提供：
第 18 卷 第 6 期 2021 年 6 月
铁道科学与工程学报 Journal of Railway Science and Engineering
DOI: 10.19713/ki.43-1423/u.T20200713
磁力悬浮系统的PID控制策略设计及仿真
毕业设计（论文）题目磁力悬浮系统的PID控制策略设计及仿真学生姓名专业班级电气工程及其自动化学号系（部）指导教师(职称)完成时间目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 ························································································ - 1 -1.1 磁悬浮技术简介·································································· - 1 -1.2 磁悬浮分类········································································ - 1 -1.3 控制方式分类····································································· - 2 -1.4 磁悬浮技术的应用与展望 ······················································ - 2 -1.5本论文的工作任务及主要内容················································· - 4 -2 磁悬浮球系统数学建模及稳定性分析 ·············································· - 5 -2.1 磁悬浮球系统的基本结构及工作原理 ······································· - 5 -2.2 系统运动方程的推导···························································· - 5 -2.3 磁悬浮球系统稳的定性分析 ··················································· - 7 -2.4 磁悬浮球系统建模······························································· - 8 -3 传统PID控制器设计 ··································································- 11 -3.1 控制方案··········································································- 11 -3.1.1 电流控制器···································································- 11 -3.1.2 电压控制器···································································- 11 -3.2 PID控制器系统的模型建立·················································· - 12 -3.3 PID控制器K、I T、D T这三个参数的选取······························· - 14 -P3.4 PID控制器对磁悬浮球系统控制性能的分析····························· - 15 -3.5 利用MATLAB软件对PID参数进行系统仿真 ····························· - 16 -3.5.1 开环系统仿真 ······························································· - 17 -3.5.2 闭环系统仿真 ······························································· - 17 -3.6 PID参数整定···································································· - 18 - 4模糊PID控制器磁悬浮球控制系统 ················································ - 21 -4.1 模糊控制的基本原理·························································· - 21 -4.2 模糊PID控制器结构·························································· - 21 -4.3 模糊PID的实现································································ - 22 -4.4 PID参数模糊调整规则························································ - 22 -5 MATLAB仿真············································································· - 24 -5.1 模糊PID在MATLAB下的实现 ··············································· - 24 -5.2 磁悬浮系统即时控制及分析 ················································· - 24 - 结束语 ······················································································ - 27 - 致谢 ······················································································ - 28 - 参考文献 ··················································································· - 29 -磁力悬浮系统的PID控制策略设计及仿真摘要磁悬浮技术具有以下优点：无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等。
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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控制姓名:学号:专业:指导教师:职称:日期: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AbstractMagnetic 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。
近年来出现了一些该方式的产品，例如日本1994年4月公布的专利中，就有关于该方式配置方案的内容。
随着稀土材料的普及，该方式将会被更多的应用到各个领域。
c.感应斥力方式这种控制方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间的斥力，简称感应斥力方式。
为了得到斥力，励磁线圈和短路线圈之间必须有相对的运动。
这种方式主要应用于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。
但是，在低速时由于得不到足够的悬浮力，在低速或停止时需要有车轮来支撑车身。
从原理上而言，该方式很少被应用于低速传动机构。
1.1.3 控制方式的分类目前，磁悬浮控制应用技术分为数字控制方式和模拟控制方式。
随着近年来现代控制理论的日趋成熟，同时随着计算机计算速度的飞跃提高，数字式控制方式得到越来越多的应用。
与数字式控制相比，由于模拟式的控制部分为硬件构成，容易被技术人员理解、掌握和调试，并且相对价格比较低。
容易实现产品化、系列化，从而在产业界得到了广泛的应用。
目前的磁悬浮轴承产品大多数为模拟式控制。
但是，模拟运算电路一旦制板，则无法再做根本性修正，缺乏软件的灵活性，同时也无法发挥现代控制理论中 系统等理论的强大威力。
1.1.4 磁悬浮技术的应用及展望目前，磁悬浮技术的大规模应用主要集中在磁悬浮列车和磁悬浮轴承两方面：a.磁悬浮列车20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车试验系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。
随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。
1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上的时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。
在制造磁悬浮列车的角逐中，日本和德国是两大竞争对手。
1994年2月24日，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，在宫崎一段74km长的试验线上，创造了时速431km的日本最高纪录。
1999年4月，日本研制的超导磁悬浮列车在试验线上达到时速552km。
德国经过近20年的努力，技术上已趋于成熟，已具有建造运用的水平。
原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400km的磁悬浮铁路，总长度为248km，预计2003年正式投入营运。
但由于资金计划问题，2002年宣布停止了这一计划。
我国对磁悬浮列车的研究工作起步较晚，1989年3月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮试验样车。
1995年，我国第一条磁悬浮列车实验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人等时速为300km的试验。
西南交通大学这条试验线的建成，标志我国已经掌握了制造磁悬浮列车的技术。
然而，2001年3月上海13.8km的磁悬浮列车开始营运，标志着我国成为世界上第一个具有磁悬浮运营铁路的国家。
b.磁悬浮轴承(1)磁悬浮轴承工业应用1)航天工业方面[2][16]磁轴承主要应用对象有低轨道地球卫星和航天器中的超真空泵、中子粉碎机、卫星惯性飞轮和能量存储飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎透平泵、制冷透平泵、环状悬浮定位系统以及反射镜的驱动机械装置等。
2)机床主轴支承中的应用随着现代工业对加工精度要求的不断提高以及机床转速的增加，传统的滚动轴承和静压轴承均已明显地不能满足对支承的要求，其中尤以噪声、振动、发热及使用寿命的问题更为突出。
另外，在传统的轴承中，供油系统是必不可少的。
这不仅使结构更趋复杂，同时又产生了诸如污染等问题。
可幸的是上述问题在采用了磁轴承以后，均能获得圆满解决。
法国的S2M公司在数百台机床上成功地应用了磁轴承[3]，包括各种高精度车床、铣床和磨床，而磨床方面的应用尤为突出。
3)其它工业技术方面在一般工业生产中第一个装有磁轴承的是德国Leybol-Heraeus公司发明的涡轮机驱动的真空泵，其额定转速达30,000r/min，工作气隙直径90mm，转子重7kg，高真空、高转速、长寿命。
在轻工业中，磁轴承主要应用于涡轮分子真空泵、离心机液态泵、纺织机主轴、小型低温压缩机、旋转光学境主轴、旋转阳极射线管、中子分选器等。
法国研制成功一台冶金实验用的小型超高速离心机，其转速达800,000r/min。
在重工业中，磁轴承也得到了应用。
德国ABB公司采用磁轴承系统研制成功第一台大型核能用部件，即MALVE实验循环器，其转子重2吨，功率400k w，外伸推进器直径1.25m。
由于磁轴承具有独特的优良性能，在能源工业中，特别是核能技术的研究中，它将发挥越来越大的作用。
此外，磁轴承在航海技术、纺织技术、医疗器械、电动机、发电机、喷气机、电度表、机器人技术、振动控制等方面都得到了应用。