磁悬浮的PID控制系统设计+MATLAB仿真(2)
5 MATLAB仿真 - 40 -
5.1 MATLAB简介 - 40 -
5.2 磁悬浮系统仿真 - 41 -
5.3 PID参数整定 - 43 -
6磁悬浮系统的实时控制 - 50 -
7 总结与展望 - 53 -
7.1总结 - 53 -
7.2展望 - 54 -
1 绪论
1.1本课题的内容及意义
磁浮列车是一种新型轨道交通工具，具有速度快、噪声小、振动小、安全舒适等特点。磁悬浮列车的原理是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”。列车上装有超导磁体，由于悬浮而在线圈上高速前进。这些线圈固定在铁路的底部，由于电磁感应，在线圈里产生电流，地面上线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总是保持相同，这样在线圈和电磁体之间就会一直存在排斥力，从而使列车悬浮。课题要求用PID控制方法为磁浮列车系统设计一控制器，使它们按照预期的性能指标稳定。最后对整个控制系统进行实时设计。
1.2 磁悬浮技术综述
磁悬浮技术应该属于自动控制技术，它是由控制技术的逐步发展而建立起来的。磁悬浮的根本作用是利用磁场力使某一物体沿着或者是绕着某一个基准框架的一根或者几根轴保持固定位置。由于悬浮体与支撑体之间没有任何的接触，克服了由摩擦带来的速度方面的限制和摩擦产生的能量的消耗，因此具有寿命长、无噪声、能耗低、无污染、安全可靠、不受任何速度限制等优点，因此目前世界各国已广泛开展磁悬浮控制系统方面的研究。采用先进的控制方法对磁悬浮系统进行设计和控制，随着控制理论的不断发展和完善，使系统具有更好的鲁棒特性。随着电子技术的不断发展，尤其是电子计算机领域的发展，带来了磁悬浮控制系统向智能化方向的发展。
真正将其产业化却是近几年才开始流行的。迄今为止，关于磁悬浮技术的开发与研究在国内外都处于快速发展的境地。磁悬浮控制技术从理论上来说不难以理解。
1.2.1 磁悬浮方式分类
一般来说，磁悬浮可分为以下3种主要的应用方式：
(1) 电磁吸引控制悬浮方式
此种控制方法利用了导磁材料与电磁铁之间产生的吸力，几乎绝大部分磁悬浮技术采用了这种技术。虽然原理上这种吸引力是一种不稳定的磁力，可是通过控制电磁铁电流的大小，可以将悬浮气隙保持在一定的范围内。随着现代控制理论的发展和驱动元器件性能提高、价格低廉，这种方式得到了极为广泛应用。在这基础上也有人提出了用可控型永久磁铁替换需要大电流励磁的电磁铁部分的方案，并深入的进行了开发和研究的相关工作。这种方法可以大幅度的减少励磁损耗，更可以在额定悬浮高度时不需要耗费能量，是一种非常值得关注的新型技术。
(2)永久性磁铁排斥力悬浮方式
这种控制方式利用永久磁体之间的排斥力，一般产生排斥力为1kg/cm2，因此被称为永久磁体的排斥力悬浮方式。当然，根据所使用的磁性材料的不同，其产生的排斥力得到相应变化。但是，由于横向位移的相关不稳定的因素，就需要从力学角度来安排磁铁的摆放位置。近年来出现了一些运用该方式的产品，例如日本1994年4月公布的项目专利中，就存在关于该方式配置方案的内容。随着稀土材料的广泛普及，该方式将会被应用到更广泛的领域。