磁悬浮系统的PID控制.doc
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1、本科毕业设计(论文) 题目题目: : 磁悬浮系统的磁悬浮系统的 PIDPID 控制控制 姓 名: 学 号: 专 业: 指导教师: 职 称: 日 期: 华科学院华科学院 白皓:磁悬浮系统的 PID 控制 I 摘摘 要要 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
2、己的见解。 关键词关键词:磁悬浮系统 控制器 MATLAB 软件 PID 控制 太原科技大学本科生毕业设计(论文) II 白皓:磁悬浮系统的 PID 控制 III 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
3、such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life science On the basis of analyzing of magnetic suspension systems structure and working principle, its system mathematical model was established, this thesis describe PID controller designed and get control scheme. It get the be
4、tter 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 太原科技大学本科生毕业设计(论文) IV 白皓:磁悬浮系统的 PID 控制 V 目目 录录 摘摘 要要I I ABSTRACTABSTRACTIIIIII 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1 1
5、.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 第第 2 2 章章 磁悬浮系统的结构与建模磁悬浮系统的结构与建模9 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
6、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 第第 3 3 章章 控制器设计控制器设计1717 太原科技大学本科生毕业设计(论文) VI 白皓:磁悬浮系统的 PID 控制 VII 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 3.2 PID 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
7、定.22 3.3 本章小结 23 第第 4 4 章章 基于基于 MATLABMATLAB 的控制系统仿真的控制系统仿真2525 4.1 引言 25 4.2 MATLAB 软件简介25 4.3 选用此软件的缘由 26 4.4 SIMULINK仿真系统 .26 4.5 MATLAB 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 4.8 PID 参数现场实验法整定.32 4.9 本章小结 36 第第 5 5 章章 总结与展望总结与展望3737 参考文献参考文献3939 致致 谢谢4141 白皓:磁悬浮系统的 PID 控制 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 磁悬浮技
8、术综述磁悬浮技术综述1 1.1.1 前言前言 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
9、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
10、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 太原科技大学本科生毕业设计(论文) 2 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
11、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
12、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
13、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 白皓:磁悬浮系统的 PID
14、控制 3 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
15、业方面216 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
16、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
17、用部件,即 MALVE 实验循环器,其转子重 2 吨,功率 400kw,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, 太原科技大学本科生毕业设计(论文) 4 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。 (2)磁悬浮轴承国内外发展概况 磁轴承的发展与研究一直受到国内外工业界的广泛关注。自 1988 年起,国际 上每两年举行一届磁轴承国际会议,交流和研讨该领域的最新研究成果。目前较为 活跃并处于领先地位的主要有瑞士联邦工学院(ETH),美国 Ma
18、ryland 大学和 Virginia 大学、日本东京大学和英国 Sussex 大学等研究机构,以及法国 S2M、瑞士 IBAG、英国 Glacier、美国 Avcon、MTI、Satcon 等生产厂家。磁轴承在国外有较 长的研究历史,目前已进入应用阶段:1969 年,法国军部实验室(LRBN) 开始磁悬 浮轴承研究,1972 年将第一个磁悬浮轴承应用于卫星导向器飞轮支承上;美国在 1983 年 11 月搭载于航天飞机的欧洲空间实验舱采用了磁悬浮轴承真空泵;1995 年, 日本精工精机公司在意大利国际机床博览会上展出了采用了磁轴承主轴的机械加工 中心 MV-40B4。法国 SEP 公司的磁悬浮
19、轴承产品,转速范围 0-800,000r/min,转 子直径 14-600mm,单个轴承承载能力 3,00050,000N, 使用温度范围- 253450。美国 Federal-Mogul 公司生产的磁轴承转速在 400120,000r/min,最 大线速度可达 264m/s,轴向承载 222kN,径向承载 80kN。从目前国外的应用状况 来看,在高速旋转和高精度的应用场合,磁轴承具有极大的优越性,并已逐渐成为 应用的主流。 我国对磁轴承的研究起步于 80 年代,国防科技大学、清华大学、哈尔滨工业 大学、天津大学、上海交通大学等均开展了相应的研究。1994 年,清华大学机电 与控制实验室研制成
20、功卧式五自由度磁轴承系统,转速高达 53,200r/min,1997 年 成功进行了内圆磨削实验,1999 年实现了数控,转速高达 50,000r/min, 回转精度 lm。1996 年,哈尔滨工业大学研制成功数控机床用高刚度磁力轴承主轴,主轴转 速 20,000r/min,磨头端部刚度 20N/m,轴承处径向静刚度 169N/m,主轴运动误 差小于 25m5,目前,正致力于磁轴承卫星飞轮应用技术的研究。同时,西安交 通大学研制成功用于涡轮膨胀机的磁轴承系统。但到目前为止,开发的多数产品还 处于实验室阶段,而且在承载刚度和承载能力方面距离大规模应用还有一定距离。 国外磁轴承的价格十分昂贵,而且
21、处于技术上保密的原因,不对国内进行小批量磁 轴承的出售。磁轴承能否产业化,其发展速度和水平关系着民族工业的前途,其市 白皓:磁悬浮系统的 PID 控制 5 场潜力也非常巨大6。 (3) 现阶段磁悬浮轴承控制研究发展所面临的主要问题 1) 动态刚度的提高 在磁悬浮轴承的各项技术指标中,动态刚度是其中相当重要的一环,其大小决 定着磁轴承能否在工业上应用,这也是现在磁轴承研究上的一个难点。磁轴承的动 态刚度和阻尼不仅是系统参数的函数,而且是频率的函数,故要使磁轴承系统动 态刚度的提高可以通过改善系统各组成部分的硬件来达到,但通过这种方法提高的 动态刚度有限,故更重要的是通过改变磁轴承控制器的结构来实
22、现,即通过调整控 制器的策略来实现。 2) 采用数字控制器 用模拟电路来实现控制器的功能,称之为模拟控制器,其优点有:成本较低, 实现容易。但它有很多不足之处:参数调节很不方便,很难实现复杂的控制算法等。 因此,今后磁轴承主要采用数字控制器,是磁轴承发展的必然趋势。数字控制器的 主要优点有: a) 在开发阶段,数字控制易于进行各种可能控制策略的试验,能够实现复杂 的控制功能; b) 数字控制器除了使被控装置稳定外,还可以承担大量额外任务,如设定点 调整,自适应控制,不平衡补偿和其他机械误差补偿等。有些任务虽然采用模拟控 制器也能实现,但数字控制可使专用硬件的数目大大减少; c) 采用数字控制,
23、可以更好地实现在线检测:载荷位移振动、轴承电流及其 它允许工况,可以显示记录及远程传输; d) 对意外和紧急情况以及相应的安全问题可以做出智能反映; e) 系统的更新换代由于常常只涉及到软件而更为容易。 (4)磁悬浮轴承对控制器的要求 要根据物体的悬浮状态主动地调节磁场来保持物体自由稳定的悬浮状态,必须 要有反馈控制系统来实现。磁悬浮轴承的控制器是磁轴承系统中最关键的部分,控 制器的性能不仅决定了磁悬浮能否实现,而且还直接影响到轴承的回转精度和承载 能力等关键指标。所以在整个磁轴承系统设计中,控制器的设计及优化工作显得尤 为重要。磁轴承对控制器性能指标有以下几点要求: 1) 求磁轴承系统抗干扰
24、能力强,即要求系统的增益大,保证定位精度高; 太原科技大学本科生毕业设计(论文) 6 2) 系统的动态响应时间短; 3) 系统的阻尼特性好,系统的动态过程不应有大的超调量。 1.2 课题的提出及意义课题的提出及意义 随着控制理论的发展以及对磁悬浮系统性能要求的不断提高,磁悬浮系统控制 器需要实现的控制算法的复杂程度日渐加大。传统的模拟控制器虽然具有成本低、 速度快、性能稳定、对控制算法适应良好等优点,但存在着参数调整不太方便,硬 件结构不易改变等缺点,难以满足用户日益增高的要求。于是数字控制成为磁悬浮 系统控制的主流趋势。 在磁悬浮系统控制中,普遍采用了基于 DSP 构建的数控平台。此平台难以
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