磁悬浮类论文
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1.2
磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，该装置由传感器、控制器、电磁铁和功率放大器等部分组成。根据在磁悬浮系统中实现稳定悬浮的电磁力的状态（是静态的还是动态的），可将磁悬浮系统划分为无源（被动）和有源（可控）两种悬浮系统[3]。
如图1.1所示，简单的有源磁悬浮系统由悬浮体、位置传感器、控制器和执行器4部分组成。其中，执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。现假设在某参考位置上，由于悬浮体受到一个向下的扰动，它将会偏离其参考位置。这时，传感器检测出悬浮体偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号；功率放ห้องสมุดไป่ตู้器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生电磁力，从而驱动悬浮体返回到原来的平衡位置。因此，不论悬浮体受到的扰动是向下还是向上，它始终能处于稳定的平衡状态。
图1.1磁悬浮原理图
由于磁悬浮不存在机械接触，因此具有下列优点[4]：
1)完全无磨损、无污染，可在真空和腐蚀性介质中长期使用；
2)无须润滑，可以省去泵、管道、过滤器、密封元件；
3)功耗低，减小了损耗；
4)避免了机械接触，减少损耗，延长设备使用寿命；
5)噪声低；
6)定位、控制精度高，其上限取决于位移传感器的精度。
基于MATLAB的磁悬浮控制系统设计
摘
本文建立了单块钢板、垂直带钢、水平带钢这三种钢板磁悬浮系统，基于对系统中电磁力模型和非线性运动方程的分析，建立起三种钢板磁悬浮系统的非线性系统模型，并设计出一个兼顾三种系统共性与异性的综合性系统框图。基于MATLAB对非线性系统所做的仿真研究，显示出钢板磁悬浮系统具有典型的非线性和不稳定性。其后以典型带钢磁悬浮系统为代表，建立了线性化的系统电流控制及电压控制对象模型。
A kind of PID controller design method for unstable object is introduced to design PID controller for the current controlled magnetic suspension system model, and the control result is analyzed. For the voltage controlled system model, pole point method is taken to design the PID controller, and good result is achieved.
磁悬浮熔炼是采用感应电流使金属融化，且利用感应技术使融化后的金属融体悬浮于空中，不与任何物体接触。这种非接触的熔炼法可避免传统熔炼法中熔炼金属与炉料和炉子的接触，这样可以减少金属和合金中的杂质，提高金属的性能，降低金属制成品的废品率[7,8]。
第
2.1
磁悬浮技术是一项具有良好发展前景的技术，近年来其应用领域不断拓展。未来，钢板磁悬浮技术将应用于钢铁、汽车和家电等行业中的薄带钢无接触传输。传统滚轴传输方式存在噪声大、易在传输钢板表面造成瑕疵等缺点；采用磁悬浮无接触钢板传输方式可以降低传动噪声，提高产品的表面光洁度。因而，对于增加产品的附加值具有实际意义[9]。
关键词：钢板，磁悬浮，MATLAB，PID，H∞控制
Study on Magnetic Suspension Control System Based on MATLAB
Abstract
In this paper steel plate,vertical strip and horizontal strip are three kinds of object for magnetic suspension research. Based on the analysis of electromagnetic force model and nonlinear equation, nonlinear system model of the three kinds of suspension system is established. Later on,a comprehensive system diagram giving attention to both common character and differentia of the three kinds of magnetic suspension systems is designed. Simulation result of the nonlinear system based on MATLAB helped to make a further understanding of the system nonlinearity and instability. Current controlled and voltage controlled linear system model of vertical strip is established as anexample.
Key words:Steel Plate,MagneticSuspension, MATLAB,PID,H∞control
第
1.1
磁悬浮技术是一门涉及多种学科的综合性技术。磁悬浮技术将电工电子技术、自动控制技术、传感器技术、检测技术、微机等高新技术有机地结合在一起，成为典型的机电一体化技术。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和转子动力学的发展，磁悬浮技术得到了长足的发展，其已被广泛应用于航空、航天、精密仪器、仪表、机械制造和交通运输等领域。磁悬浮技术利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，克服了由摩擦带来的诸多弊病，具有寿命长、能耗低、无污染、无噪声等特点，满足了生产工艺和科学技术向高速、精密化方向发展的需要，有助于提高控制水平。近年来，磁悬浮技术由宇航、军事等领域的应用开始向一般工业应用方面发展[1,2]。
风洞磁悬浮系统是美国、前苏联为了发展自己的空中优势在60年代初就开始研究。在风洞中小尺寸的飞行器模型，不用任何接触支撑和悬挂而仅籍磁力悬浮，因而可不受干扰的测量飞行器的空气动力学性能，并能直接测量其动力稳定性和控制参数。
磁悬浮隔振是一种新型的主动隔振方法，它在振源和载荷之间用主动控制的磁场来支撑，使得振源和载荷之间完全脱离机械接触，由于外加主动控制，磁悬浮隔振的静态刚度和动态隔振效果可以进行方便的调节。在航空、航海、航天等领域，振源（载体）既要按某一轨迹做正常运动（如空间站的航行），同时也存在某种干扰引起的振动（如空间站的振动），这对磁悬浮隔振系统提出了很高的要求，使其成为一项重要的应用研究。
Based on mixed-sensitivity method,H∞controller is designed for the current controlled system. Influence of weighting function selection and different weight of control object on the control result is obtained by simulation to get a further understanding of the robust character of theH∞controller. The same controller design method is taken for the voltage controlled system object, and good result is achieved.
在PID控制器设计中，针对电流控制对象模型，采用了一种针对不稳定对象的PID控制器设计方法，并对其控制结果进行了分析；对于电压控制对象模型，采用极点配置的方法设计PID控制器，初步取得了较为满意的控制效果。
根据混合灵敏度设计方法，对电流控制对象进行的H∞控制器设计，得到满意的控制效果后，进一步通过仿真讨论了加权函数的选择的问题，从仿真结果上看，H∞控制器实现了较好的鲁棒性。其后对电压控制对象同样进行H∞控制器设计，得到的仿真结果显示了H∞控制器对于电压控制对象同样具有较好的控制效果。
磁悬浮技术利用电磁吸引力克服物体的重力或其它外力，将物体稳定悬浮在空中，避免了物体与其他支撑物的接触。在很多工程系统中磁悬浮系统都具有重要的实际意义。单块钢板、垂直带钢、水平带钢是本章所要研究的三种钢板磁悬浮对象。对于单块钢板，主要考虑的是利用电磁力克服其重力将其悬浮在空中，从而避免滚轴传输方式噪声大、易在传输钢板表面造成瑕疵等缺陷。对于垂直带钢，主要是基于在连续镀锌生产线中，带钢在传送辊的驱动下从镀锌槽中垂直抽出以使凝固中的锌层附着在带钢表面，同时锌槽出口处的气刀向带钢上尚呈液态的锌层喷射气体以去除多余的锌。准确控制锌层的厚度，主要取决于喷射气体的气压以及气刀与带钢表面间的气隙距离[10]，如图2.1所示。由于垂直上升的带钢较长，在外界干扰下容易形成晃动，从而影响到气刀与带钢表面间气隙距离的稳定性，造成镀层不均匀；同时垂直上升的带钢表面锌层尚未完全凝固，此时要尽可能避免与其他物体的接触，由此提出了采用一对对称电磁铁在无接触的前提下使带钢在水平方向上尽可能稳定在一定的位置上，这是对垂直带钢的考虑。对于水平带钢，考虑到带钢自身具有一定柔性，水平传输的过程中，在两个传送辊间水平带钢的上方，利用电磁吸引力对带钢产生一定角度的向上弯曲提拉效果[11,12]。
对于有源式磁悬浮系统，其悬浮物体的全部运动特性可由位置传感器测得，便于实现运行状态诊断和监测。
1.3
早在100多年前，人们就提出了利用磁力将物体悬浮起来的设想，1842年，英国物理学家恩休（Earn show）就提出了磁悬浮的概念，并证明了铁磁体不可能仅由一个永久磁铁支撑而在六个自由度上都保持稳定、自由的悬浮，必须有一个自由度被机械或其他方式所约束，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小才能实现稳定悬浮。1937年，德国人肯珀（Kemper）申请了一项有关主动磁悬浮支承的专利，提出要采用可控电磁铁才能实现稳定的磁悬浮，并成为其后磁悬浮列车和磁浮轴承研究的主导思想。在同一时期内，弗吉尼亚（Virginia）大学的毕姆（Beams）和霍姆斯（Holmes）采用电磁悬浮技术悬浮小钢球并通过钢球在高速旋转时所能承受的离心力测试试验材料性能，测量过程中钢球所达到的最高旋转速度1.8×107rot/min，这可能是世界上最早采用磁悬浮技术支承旋转体的应用实例[4,5]。
磁悬浮技术在工业上的主要应用主要有：磁悬浮列车、磁悬浮轴承和无轴承电机。
在磁悬浮轴承研究领域，按照磁轴承产生磁场性质的不同，有主动磁轴承(ActiveMagnetic Bearing)和被动磁轴承(Passive Magnetic Bearing)。在主动磁轴承中，磁场是可控的，通过检测被悬浮转子的运动状态，由控制系统对磁场进行主动控制，从而使转子的运动满足预定的要求。而在被动磁轴承中，磁场是不可控的，其磁力由永久磁铁或者恒定直流电场作用下的软磁材料提供。磁轴承的磁力可全部由电磁铁提供，也可以由永久磁铁和电磁铁共同提供，由永久磁铁和电磁铁共同提供磁力的磁轴承称为混合磁轴承(Hybrid Magnetic Bearing)。
目前，磁浮轴承已被用于数百种不同的旋转或往复式运动机械上，诸如高速磨床、铣床、离心机、透平压缩机、高速电机、斯特林制冷机、航天器姿态控制装置、陀螺仪、搬运系统、飞轮蓄能装置以及对一些机械系统实施主动控制等方面。
高速磁悬浮电机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。国内外自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、易于弱磁升速等特点，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。如磁悬浮电机运用在生命科学领域，现在国外已研制成功的离心式和振动式人工心脏血泵，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[6]。
磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，该装置由传感器、控制器、电磁铁和功率放大器等部分组成。根据在磁悬浮系统中实现稳定悬浮的电磁力的状态（是静态的还是动态的），可将磁悬浮系统划分为无源（被动）和有源（可控）两种悬浮系统[3]。
如图1.1所示，简单的有源磁悬浮系统由悬浮体、位置传感器、控制器和执行器4部分组成。其中，执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。现假设在某参考位置上，由于悬浮体受到一个向下的扰动，它将会偏离其参考位置。这时，传感器检测出悬浮体偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号；功率放ห้องสมุดไป่ตู้器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生电磁力，从而驱动悬浮体返回到原来的平衡位置。因此，不论悬浮体受到的扰动是向下还是向上，它始终能处于稳定的平衡状态。
图1.1磁悬浮原理图
由于磁悬浮不存在机械接触，因此具有下列优点[4]：
1)完全无磨损、无污染，可在真空和腐蚀性介质中长期使用；
2)无须润滑，可以省去泵、管道、过滤器、密封元件；
3)功耗低，减小了损耗；
4)避免了机械接触，减少损耗，延长设备使用寿命；
5)噪声低；
6)定位、控制精度高，其上限取决于位移传感器的精度。
基于MATLAB的磁悬浮控制系统设计
摘
本文建立了单块钢板、垂直带钢、水平带钢这三种钢板磁悬浮系统，基于对系统中电磁力模型和非线性运动方程的分析，建立起三种钢板磁悬浮系统的非线性系统模型，并设计出一个兼顾三种系统共性与异性的综合性系统框图。基于MATLAB对非线性系统所做的仿真研究，显示出钢板磁悬浮系统具有典型的非线性和不稳定性。其后以典型带钢磁悬浮系统为代表，建立了线性化的系统电流控制及电压控制对象模型。
A kind of PID controller design method for unstable object is introduced to design PID controller for the current controlled magnetic suspension system model, and the control result is analyzed. For the voltage controlled system model, pole point method is taken to design the PID controller, and good result is achieved.
磁悬浮熔炼是采用感应电流使金属融化，且利用感应技术使融化后的金属融体悬浮于空中，不与任何物体接触。这种非接触的熔炼法可避免传统熔炼法中熔炼金属与炉料和炉子的接触，这样可以减少金属和合金中的杂质，提高金属的性能，降低金属制成品的废品率[7,8]。
第
2.1
磁悬浮技术是一项具有良好发展前景的技术，近年来其应用领域不断拓展。未来，钢板磁悬浮技术将应用于钢铁、汽车和家电等行业中的薄带钢无接触传输。传统滚轴传输方式存在噪声大、易在传输钢板表面造成瑕疵等缺点；采用磁悬浮无接触钢板传输方式可以降低传动噪声，提高产品的表面光洁度。因而，对于增加产品的附加值具有实际意义[9]。
关键词：钢板，磁悬浮，MATLAB，PID，H∞控制
Study on Magnetic Suspension Control System Based on MATLAB
Abstract
In this paper steel plate,vertical strip and horizontal strip are three kinds of object for magnetic suspension research. Based on the analysis of electromagnetic force model and nonlinear equation, nonlinear system model of the three kinds of suspension system is established. Later on,a comprehensive system diagram giving attention to both common character and differentia of the three kinds of magnetic suspension systems is designed. Simulation result of the nonlinear system based on MATLAB helped to make a further understanding of the system nonlinearity and instability. Current controlled and voltage controlled linear system model of vertical strip is established as anexample.
Key words:Steel Plate,MagneticSuspension, MATLAB,PID,H∞control
第
1.1
磁悬浮技术是一门涉及多种学科的综合性技术。磁悬浮技术将电工电子技术、自动控制技术、传感器技术、检测技术、微机等高新技术有机地结合在一起，成为典型的机电一体化技术。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和转子动力学的发展，磁悬浮技术得到了长足的发展，其已被广泛应用于航空、航天、精密仪器、仪表、机械制造和交通运输等领域。磁悬浮技术利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，克服了由摩擦带来的诸多弊病，具有寿命长、能耗低、无污染、无噪声等特点，满足了生产工艺和科学技术向高速、精密化方向发展的需要，有助于提高控制水平。近年来，磁悬浮技术由宇航、军事等领域的应用开始向一般工业应用方面发展[1,2]。
风洞磁悬浮系统是美国、前苏联为了发展自己的空中优势在60年代初就开始研究。在风洞中小尺寸的飞行器模型，不用任何接触支撑和悬挂而仅籍磁力悬浮，因而可不受干扰的测量飞行器的空气动力学性能，并能直接测量其动力稳定性和控制参数。
磁悬浮隔振是一种新型的主动隔振方法，它在振源和载荷之间用主动控制的磁场来支撑，使得振源和载荷之间完全脱离机械接触，由于外加主动控制，磁悬浮隔振的静态刚度和动态隔振效果可以进行方便的调节。在航空、航海、航天等领域，振源（载体）既要按某一轨迹做正常运动（如空间站的航行），同时也存在某种干扰引起的振动（如空间站的振动），这对磁悬浮隔振系统提出了很高的要求，使其成为一项重要的应用研究。
Based on mixed-sensitivity method,H∞controller is designed for the current controlled system. Influence of weighting function selection and different weight of control object on the control result is obtained by simulation to get a further understanding of the robust character of theH∞controller. The same controller design method is taken for the voltage controlled system object, and good result is achieved.
在PID控制器设计中，针对电流控制对象模型，采用了一种针对不稳定对象的PID控制器设计方法，并对其控制结果进行了分析；对于电压控制对象模型，采用极点配置的方法设计PID控制器，初步取得了较为满意的控制效果。
根据混合灵敏度设计方法，对电流控制对象进行的H∞控制器设计，得到满意的控制效果后，进一步通过仿真讨论了加权函数的选择的问题，从仿真结果上看，H∞控制器实现了较好的鲁棒性。其后对电压控制对象同样进行H∞控制器设计，得到的仿真结果显示了H∞控制器对于电压控制对象同样具有较好的控制效果。
磁悬浮技术利用电磁吸引力克服物体的重力或其它外力，将物体稳定悬浮在空中，避免了物体与其他支撑物的接触。在很多工程系统中磁悬浮系统都具有重要的实际意义。单块钢板、垂直带钢、水平带钢是本章所要研究的三种钢板磁悬浮对象。对于单块钢板，主要考虑的是利用电磁力克服其重力将其悬浮在空中，从而避免滚轴传输方式噪声大、易在传输钢板表面造成瑕疵等缺陷。对于垂直带钢，主要是基于在连续镀锌生产线中，带钢在传送辊的驱动下从镀锌槽中垂直抽出以使凝固中的锌层附着在带钢表面，同时锌槽出口处的气刀向带钢上尚呈液态的锌层喷射气体以去除多余的锌。准确控制锌层的厚度，主要取决于喷射气体的气压以及气刀与带钢表面间的气隙距离[10]，如图2.1所示。由于垂直上升的带钢较长，在外界干扰下容易形成晃动，从而影响到气刀与带钢表面间气隙距离的稳定性，造成镀层不均匀；同时垂直上升的带钢表面锌层尚未完全凝固，此时要尽可能避免与其他物体的接触，由此提出了采用一对对称电磁铁在无接触的前提下使带钢在水平方向上尽可能稳定在一定的位置上，这是对垂直带钢的考虑。对于水平带钢，考虑到带钢自身具有一定柔性，水平传输的过程中，在两个传送辊间水平带钢的上方，利用电磁吸引力对带钢产生一定角度的向上弯曲提拉效果[11,12]。
对于有源式磁悬浮系统，其悬浮物体的全部运动特性可由位置传感器测得，便于实现运行状态诊断和监测。
1.3
早在100多年前，人们就提出了利用磁力将物体悬浮起来的设想，1842年，英国物理学家恩休（Earn show）就提出了磁悬浮的概念，并证明了铁磁体不可能仅由一个永久磁铁支撑而在六个自由度上都保持稳定、自由的悬浮，必须有一个自由度被机械或其他方式所约束，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小才能实现稳定悬浮。1937年，德国人肯珀（Kemper）申请了一项有关主动磁悬浮支承的专利，提出要采用可控电磁铁才能实现稳定的磁悬浮，并成为其后磁悬浮列车和磁浮轴承研究的主导思想。在同一时期内，弗吉尼亚（Virginia）大学的毕姆（Beams）和霍姆斯（Holmes）采用电磁悬浮技术悬浮小钢球并通过钢球在高速旋转时所能承受的离心力测试试验材料性能，测量过程中钢球所达到的最高旋转速度1.8×107rot/min，这可能是世界上最早采用磁悬浮技术支承旋转体的应用实例[4,5]。
磁悬浮技术在工业上的主要应用主要有：磁悬浮列车、磁悬浮轴承和无轴承电机。
在磁悬浮轴承研究领域，按照磁轴承产生磁场性质的不同，有主动磁轴承(ActiveMagnetic Bearing)和被动磁轴承(Passive Magnetic Bearing)。在主动磁轴承中，磁场是可控的，通过检测被悬浮转子的运动状态，由控制系统对磁场进行主动控制，从而使转子的运动满足预定的要求。而在被动磁轴承中，磁场是不可控的，其磁力由永久磁铁或者恒定直流电场作用下的软磁材料提供。磁轴承的磁力可全部由电磁铁提供，也可以由永久磁铁和电磁铁共同提供，由永久磁铁和电磁铁共同提供磁力的磁轴承称为混合磁轴承(Hybrid Magnetic Bearing)。
目前，磁浮轴承已被用于数百种不同的旋转或往复式运动机械上，诸如高速磨床、铣床、离心机、透平压缩机、高速电机、斯特林制冷机、航天器姿态控制装置、陀螺仪、搬运系统、飞轮蓄能装置以及对一些机械系统实施主动控制等方面。
高速磁悬浮电机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。国内外自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、易于弱磁升速等特点，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。如磁悬浮电机运用在生命科学领域，现在国外已研制成功的离心式和振动式人工心脏血泵，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[6]。