磁悬浮控制系统建模与仿真大学毕设论文

2010届毕业设计说明书

磁悬浮控制系统建模及仿真系部：电气与信息工程系

专业：电气自动化技术

完成时间：2010年5月

目录

1 绪论 (2)

1.1 磁悬浮技术的发展与现状 (3)

1.2 磁悬浮技术研究的意义 (3)

1.3 磁悬浮的主要应用 (3)

1.3.1 磁悬浮列车 (3)

1.3.2 高速磁悬浮电机 (4)

2 磁悬浮系统概述 (4)

2.1 磁悬浮实验本体 (5)

2.2 磁悬浮电控箱 (6)

2.3 控制平台 (6)

3 控制系统的数学描述 (7)

3.1 控制系统数学模型的表示形式 (7)

3.1.1 微分方程形式 (7)

3.1.2 状态方程形式 (8)

3.1.3 传递函数形式 (8)

3.1.4 零极点增益形式 (9)

3.1.5 部分分式形式 (9)

3.2 控制系统建模的基本方法 (10)

3.2.1 机理模型法 (10)

3.2.2 统计模型法 (11)

3.2.3 混合模型法 (11)

3.2.4 控制系统模型选择 (12)

3.3 控制系统的数学仿真实现 (12)

4 MATLAB软件的介绍 (13)

4.1 MATLAB简介 (13)

4.2 Simulink概述 (13)

4.3 Simulink用法 (14)

5 磁悬浮系统基于MATLAB建模及仿真 (20)

5.1 磁悬浮系统工作原理 (20)

5.2 控制对象的运动方程 (21)

5.3 系统的电磁力模型 (21)

5.4 电磁铁中控制电压与电流的模型 (21)

5.5 平衡时的边界条件 (23)

5.6 系统数学模型 (23)

5.7 系统物理参数 (23)

5.8 Matlab下数学模型的建立 (24)

5.9 开环系统仿真 (25)

5.10 闭环系统仿真 (28)

6 结束语 (31)

参考文献 (32)

致谢 (33)

附录 (34)

附A传感器实测参数 (35)

1 绪论

1.1 磁悬浮技术的发展与现状

磁悬浮技术的发展始于上世纪，恩思霍斯发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮，此现象于1939年由布鲁贝克进行了严格的理论证明。以后的研究又证明，如果最小有一阶自由度受外部机械约束的话，强磁性物体可以用磁力悬浮于稳定平衡状态。至此，磁悬浮理论己经发展得较为完善了。但是它的实际应用研究直到最近二十年才广泛开展。近年来，磁悬浮技术得到了迅速发展，并得到越来越广泛的应用。从高速磁轴承到高速悬浮列车，以及大气隙的风洞磁悬浮模型，这些都是很有前途的应用领域。由于现代科学技术的发展，如传感器、控制技术(尤其是数字控制技术)、低温和高温超导技术，使得磁悬浮技术迅速崛起，引起各国投入大量的人力、物力、进行研究开发。

1.2 磁悬浮技术研究的意义

磁悬浮由于其无接触的特点，避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备的使用寿命，改善设备的运行条什，因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。高速磁悬浮列车以其在技术、经济和环保方面的独特优势被认为是21世纪的交通工具的发展方向，德国和日本等国家在这方面己经取得了重要进展，磁悬浮列车技术开始走向实用阶段。另外，在磁力轴承、磁悬浮天平、磁悬浮高速电机及相关技术应用也都得到了发展，国外己经开发出这类高技术的产品并且己经进入市场。磁悬浮技术不仅在电气等工业领域得到厂泛应用，而且在生命科学领域也开始得到应用，充分显示了磁悬浮技术在国民经济发展和人们生活质量提高方面具有广阔的发展前景。在我国，磁悬浮技术的研究是从80年代初开始的，日前已掌握了磁悬浮列车技术。进行高速磁悬浮列车这类课题的研究耗资巨大，在日前国内情况下不能采取国外以试验为主的研究方法，主要从理论上进行研究，在此基础上进行模拟实验，为我国实际应用磁悬浮技术提供理论依据。进行磁悬浮其它应用技术的研究，可以实现学科间的交叉、渗透，推动磁悬浮高技术产品的开发与应用，因此具有十分重要的理论意义和现实意义。

1.3 磁悬浮的主要应用

1.3.1 磁悬浮列车

磁悬浮列车具有快速、低耗、环保、安全等优点，因此前景十分广阔。常导磁悬浮列车可达400至500公里／小时，超导磁悬浮列车可达500至600公里／小

时。它的高速度使其在1000至1500公里之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。由于没有轮子、无摩擦等因素，它比目前最先进的高速火车省电30%。在500公里／小时速度下，每座位／公里的能耗仅为飞机的1／3至1／2，比汽车也少耗能30%。因无轮轨接触，震动小、舒适性好，对车辆和路轨的维修费用也大大减少。磁悬浮列车在运行时不与轨道发生摩擦，发出的噪音很低。它的磁场强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。由于采用电力驱动，避免了烧煤烧油给沿途带来的污染。

1.3.2 高速磁悬浮电机

高速磁悬浮电机(Bearing less Motors)是近年提出的一个新研究方向。它集磁悬浮轴承和电动机于一体，具有自悬浮和驱动能力，不需要任何独立的轴承支撑，且具有体积小、临界转速高等特点，更适合于超高速运行的场合，也适合于小型乃至超小型结构。国外自90年代中期开始对其进行了研究，相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种结构。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单，成本低，可靠性高，气隙均匀，易于弱磁升速，是最有前途的方案之一。传统的电机是由定子和转子组成，定子与转子之间通过机械轴承连接，在转子运动过程中存在机械摩擦，增加了转子的摩擦阻力，使运动部件磨损，产生机械振动和噪声，使运动部件发热，润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场间“同性相斥，异性相吸”的原理使转子悬浮起来，同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重视，并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域，现在国外己研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵，采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高，而且可以防止血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅为解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活质量，而且为人类延续生命具有深远意义。