哈工大自动控制原理大作业——磁悬浮控制系统设计

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。

磁悬浮列车的电磁浮升原理与控制优化磁悬浮列车是一种基于磁悬浮技术的先进交通工具，其独特的电磁浮升原理使得它能够在轨道上以高速行驶，具有较低的摩擦阻力和噪音。

本文将介绍磁悬浮列车的电磁浮升原理以及相关的控制优化技术。

一、电磁浮升原理磁悬浮列车的电磁浮升原理是通过利用轨道上的电磁力来使列车浮起并保持在一定的高度上。

具体而言，磁悬浮列车的轨道上铺设有一系列的电磁铁，这些电磁铁产生的磁场与列车上的磁体相互作用，从而产生一个向上的浮力。

在磁悬浮列车的轨道上，每个电磁铁都通过电流来产生磁场。

当列车上的磁体接近电磁铁时，由于磁体和电磁铁之间的相互作用，列车会受到一个向上的浮力。

通过控制电磁铁的电流，可以调节磁场的强度，从而控制列车的浮升高度。

二、控制优化技术为了实现磁悬浮列车的稳定浮升和高速行驶，需要对其进行精确的控制和优化。

以下是几种常见的控制优化技术。

1. PID控制PID控制是一种经典的控制算法，它通过不断调节控制器的输出来使得被控对象的输出与期望值尽可能接近。

在磁悬浮列车中，可以利用PID控制来调节电磁铁的电流，从而控制列车的浮升高度。

通过不断监测列车的浮升高度和速度，PID控制器可以根据误差信号来调整电流的大小，使得列车能够稳定地浮起并保持在一定的高度上。

2. 模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它可以处理一些复杂的非线性系统。

在磁悬浮列车中，由于列车的浮升高度和速度都是非线性的，传统的PID控制方法可能无法满足要求。

因此，可以采用模糊控制来处理这些非线性问题。

通过建立一套模糊规则和模糊推理系统，可以实现对电磁铁电流的精确控制，从而优化列车的浮升性能。

3. 遗传算法遗传算法是一种基于生物进化原理的优化算法，它可以通过模拟自然选择和遗传变异的过程来寻找最优解。

在磁悬浮列车中，可以利用遗传算法来寻找最佳的控制参数，从而优化列车的浮升性能。

通过不断迭代和优化，遗传算法可以逐步改进控制策略，使得列车的浮升高度和速度能够达到最佳状态。

编号：审定成绩：xxxx大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于磁悬浮球装置的控制算法研究学院名称：xxx学生姓名：xx专业：xxxxxxxx班级：xxx学号：xxx指导教师：xx答辩组负责人：xx填表时间：2010年6 月xxxx大学教务处制摘要磁悬浮系统是一个复杂的非线性、自然不稳定系统，其控制器性能的好坏直接影响磁悬浮技术的应用，其研究涉及控制理论、电磁场理论、电力电子技术、数字信号处理以及计算机科学等众多领域。

由于磁悬浮系统对实时性的要求很高，在很大程度限制了先进控制算法的开发和应用。

为了满足日益复杂的控制要求和提高控制系统的实时性，本文以单自由度磁悬浮球系统为研究对象，在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立了数学模型并对其控制器进行了研究，以期望达到更好的控制效果。

本文首先分析了磁悬浮系统的工作原理，建立了系统的数学模型和线性化模型，并在此基础上利用MATLAB软件以及其中的SIMULINK仿真工具箱对模型开环和闭环系统进行了仿真。

然后,根据得出的系统传递函数，在SIMULINK环境下搭建系统开环传递函数，并据此进行PID控制器的设计和调节，以及用根轨迹法和频率响应法控制系统。

【关键词】磁悬浮球PID控制器根轨迹频率响应ABSTRACTThe magnetic levitation system is a complex, nonlinear, naturally unstable system. And the controller’s performance directly influences the wide applications of the magnetic levitation technology. The research on such a system involves control theory, electromagnetism, electric and electronic technology, digital signal processing, computer science and so on. Because the magnetic levitation system’s real time demand is rigorous, the development and application of advanced controllers is limited. In order to meet the requirement of complex controller and improving the real-time performance, this paper introduces the magnetic levitation control system based on the single-freedom-degree magnetic levitation ball system, then established the mathematic model and its controller is studied, and expected totter control effect.This paper analyses the working principle of maglev system, establishing the mathematic model of the system and the linear model, and on the basis of using the software MATLAB, and SIMULINK tool to model and the closed-loop system is simulated. Then, according to the system transfer function in building system under the environment of SIMULINK open-loop transfer function, the design and adjustment of the PID controller, and with the root locus method and the method of frequency response controlled control system.【key words】Magnetic levitation ball PID controller Root locusFrequency response目录前言 (1)第一章磁悬浮系统的概述 (2)第一节磁悬浮的分类及应用前景 (2)第二节磁悬浮技术的研究现状 (3)第三节磁悬浮的控制方法和发展趋势 (4)第二章磁悬浮系统的分析和建模 (6)第一节磁悬浮系统的分析 (6)第二节磁悬浮系统的工作原理 (6)第三节磁悬浮系统的建模 (7)一、控制对象的运动方程 (7)二、电磁铁中控制电压与电流的模型 (8)三、电流控制模型 (9)四、电压控制模型 (11)第三节磁悬浮球系统的搭建 (14)一、开环系统搭建 (14)二、闭环系统搭建 (15)第四节本章小结 (17)第三章控制器的设计和调试 (18)第一节 PID控制器的设计和调试 (18)一、PID控制基础 (18)二、PID控制参数整定 (19)三、磁悬浮系统中的PID控制 (21)第二节根轨迹控制器的设计和调试 (23)一、根轨迹法的基本概念和原理 (23)二、磁悬浮系统的根轨迹校正 (24)第三节频率响应控制器的设计和调试 (27)一、频率响应法的基本概念和分析 (27)二、磁悬浮系统中的频率响应 (29)第四节本章小结 (33)结论 (34)致谢 (35)参考文献 (36)附录 (38)一、英文原文 (38)二、英文翻译 (47)三、源程序 (54)前言磁悬浮技术是将电磁学、机械学、动力学、电子技术、自动控制技术、传感技术、检测技术和计算机科学等高新技术有机结合在一起，成为典型的机电一体化技术。

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。

Googol Technology 磁悬浮实验装置安装使用说明与自动控制原理实验V1.02固高科技（深圳）有限公司2006年10月©Googol 2006固高科技（深圳）有限公司GOOGOL TECHNOLOGY (SHENZHEN) LTD版权声明固高科技（深圳）有限公司保留所有版权固高科技(深圳)有限公司（以下简称固高科技）具有本产品及其软件的专利权、版权和其它知识产权。

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安全注意事项磁悬浮实验装置主要用于教学和科研。

在安装，使用和维护之前，请仔细阅读本装置附带手册。

请将本手册妥善保存，以备需要时随时查阅。

使用注意事项使用（安装、运转、保养、检修）前，请务必熟悉并全部掌握本手册和其它相关资料，在熟知全部机器知识、安全知识、以及注意事项后再使用设备。

本手册将安全注意事项分为“危险”“注意”“强制”“禁止”分别记载。

表 1-1警告标志不正确的操作将会导致重大人身事故。

不正确的操作会导致设备损坏。

必须要做的操作。

被禁止的操作。

另外，即使“注意”所记载的内容，也可能因为不同的情况产生严重后果，因此任何一条注意事项都很重要，在设备使用过程中请严格遵守。

虽然不符合“危险”“注意”的内容，但是用户在使用过程中必须严格遵守的事项，在相关地方以记载。

z本手册记述了安全上一般应该注意的事项，在实际实验环境下实验研究人员的安全措施不可能完全记载，敬请原谅。

磁悬浮列车的运行控制与动力系统研究磁悬浮列车作为一种先进的高速交通工具，以其高速、高效、环保等特点备受瞩目。

在实际应用中，磁悬浮列车的运行控制与动力系统研究是其中的关键问题。

本文将重点探讨磁悬浮列车运行控制与动力系统的研究和优化。

一、磁悬浮列车运行控制系统研究磁悬浮列车的运行控制系统是确保列车安全高效运行的重要组成部分。

其基本原理是通过利用磁悬浮技术使列车与轨道永久磁铁之间产生磁力作用，实现列车的悬浮和推进。

在实际运行中，磁悬浮列车需要实时监测列车状态、轨道状况以及与其他列车之间的互动信息，以确保系统的稳定性和安全性。

针对磁悬浮列车运行控制系统的研究，主要有以下几个方面的内容：1. 列车状态监测与控制技术：通过传感器等装置获取列车的位置、速度、加速度等重要参数，实时监测列车状态，并根据需求进行相应的控制。

例如，利用惯性测量单元（IMU）来实时检测列车的运动状态，通过监控数据进行均衡控制和调整运行轨迹。

2. 列车与轨道的互动研究：磁悬浮列车在运行过程中需要与轨道进行互动，确保列车的稳定运行。

在高速运行过程中，列车所受到的空气阻力、风力等外部因素会对列车产生影响。

因此，研究如何通过调整轨道磁力场来减轻这些不利因素对列车的影响，以提高列车的稳定性和运行效率。

3. 安全保护与故障排除技术：磁悬浮列车在运行过程中可能会面临各种故障和事故情况，因此需要具备相应的安全保护与故障排除技术。

例如，在列车超速或超载时，系统应能自动刹车和限制列车速度，以保证列车和乘客的安全。

二、磁悬浮列车动力系统研究磁悬浮列车的动力系统是保证列车正常运行的核心组成部分。

传统的铁轨列车依靠轮轴驱动，而磁悬浮列车则通过磁力系统实现驱动。

磁悬浮列车的动力系统研究主要包括以下几个方面：1. 动力系统设计与优化：磁悬浮列车的动力系统是确保列车行驶的关键因素之一。

在设计动力系统时，需要考虑列车的加速度、最大速度以及能耗等因素，并对系统进行优化。

磁悬浮球控制系统的仿真研究王玲玲，王宏，梁勇(海军航空工程学院，山东烟台 264000)作者简介：王玲玲(1984—)，女，硕士，讲师，主要从事控制技术研究。

本文引用格式：王玲玲，王宏，梁勇.磁悬浮球控制系统的仿真研究[J].兵器装备工程学报，2017(4):122-126.Citation：format:WANG Ling-ling, WANG Hong, LIANG Yong.Simulation and Research of Magnetic Levitation Ball Control System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):122-126.摘要：针对磁悬浮球系统的本质不稳定性，设计PID控制算法实现系统的稳定控制。

建立磁悬浮球系统的动力学模型，并对其中的非线性部分进行平衡点处的线性化，采用根轨迹校正设计超前滞后控制器。

最后采用PID控制设计，并使用根轨迹校正中零极点对系统性能影响的思想去调整PID参数，使系统的稳定性、动态性能和稳态性能满足要求。

关键词：磁悬浮球系统；PID；根轨迹法；校正磁悬浮可以用于实现各种机械结构的高速、无摩擦运转，如高速磁悬浮列车、高速磁悬浮电机、磁悬浮轴承等。

尽管磁悬浮的应用领域繁多，系统形式和结构各不相同，但究其本质都具有本质非线性、不确定性、开环不确定性等特征。

这些特征增加了对其控制的难度，也正是由于磁悬浮的这些特性，使其更加具有研究价值和意义。

本文针对磁悬浮球系统，研究其稳定控制，并使其性能指标满足要求。

1 磁悬浮球控制系统的基本原理磁悬浮球控制系统主要由铁芯、线圈、光电源、位置传感器、放大及补偿装置、数字控制器和控制对象钢球等部件组成[1]，如图1所示。

当电磁铁上的线圈绕组通电时，位于磁场中的刚体受到电磁力的吸引作用。

当产生的电磁力与球体的重力相等时，球体悬浮于空中，处于不稳定的平衡状态，当它受到外界扰动时，易失去平衡。

磁悬浮控制装置设计开发方案及流程磁悬浮技术是一种新型的悬浮运输技术，它通过磁力将载体浮起并悬浮在导轨或导管上，从而实现高速、稳定的运输。

磁悬浮技术可以广泛应用于城市轨道交通、高速铁路、物流运输等领域。

磁悬浮控制装置是磁悬浮技术中的核心部件，负责控制磁悬浮载体的运动状态和速度，保证系统的安全和稳定运行。

本文将介绍磁悬浮控制装置的设计开发方案及流程。

1. 磁悬浮控制系统架构设计磁悬浮控制系统由控制器、传感器、执行器和电源等部分组成。

其基本架构通常包括采集子系统、控制子系统、执行子系统和通信子系统。

在设计磁悬浮控制系统架构时，需要考虑到系统的安全性、可靠性、高效性和优化性等方面。

2. 磁悬浮轨道数据采集与处理在磁悬浮控制系统中，轨道上的数据是非常重要的。

因此，在设计磁悬浮控制装置时，需要考虑如何采集和处理轨道数据。

通常会采用传感器对轨道上的数据进行采集，然后通过信号处理和数据分析等方式，对采集到的数据进行预处理和优化。

在磁悬浮控制系统中，控制算法的设计是至关重要的。

磁悬浮载体控制算法需要考虑到载体的运动状态、速度、加速度等因素。

通常会采用PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等方式，来实现磁悬浮载体控制。

磁悬浮控制系统的硬件设计是整个系统中最为基础和关键的部分。

在硬件设计时，需要考虑到系统的功耗、体积、重量和成本等因素。

通常会采用高速处理器、可编程逻辑器件、模拟电路和电源管理电路等元器件，来实现磁悬浮控制系统的硬件设计。

1.需要完成的主要工作在磁悬浮控制装置的开发过程中，需要完成的主要工作有：系统架构设计、硬件设计、软件开发、系统测试和实验评价等。

其中，硬件设计和软件开发是整个开发过程中最为重要的部分。

2.开发流程在磁悬浮控制装置的开发过程中，通常会按照以下开发流程进行：（1）系统需求分析。

首先，需要对磁悬浮控制装置的功能和性能需求进行分析和确定，以确保系统的稳定性和可靠性。

（2）系统架构设计。

磁悬浮列车控制系统设计磁悬浮列车是一种高速、高效、安全的交通方式，在城市化进程中发挥着越来越重要的作用。

而磁悬浮列车的核心技术之一就是控制系统。

本文将介绍磁悬浮列车控制系统的设计原理和实现方法。

一、磁悬浮列车控制系统的设计原理磁悬浮列车通过利用电磁原理，使列车在空气中悬浮并运行，其控制系统包括轨道控制系统和列车控制系统两部分。

其中轨道控制系统主要是为列车提供悬浮力和导向力，并保持列车在轨道上稳定运行；列车控制系统则是控制列车行驶速度和位置以及保证列车安全到站。

在轨道控制系统中，有两种常见的悬浮方式：吸力式和排斥式。

吸力式悬浮系统是通过磁铁在轨道上产生磁场，与列车悬浮部件（如电磁悬浮线圈、轮子等）产生吸力将列车悬浮在轨道上；而排斥式悬浮系统则是利用列车悬浮部件与轨道上磁铁产生的相反磁场来实现悬浮。

在列车控制系统中，核心是运动控制和安全控制。

运动控制主要包括车速控制和位置控制，其中车速控制可由电机控制，而位置控制则需要悬浮传感器来检测列车位置，并通过反馈控制来实现。

安全控制包括列车与轨道间的通讯控制、列车加速度和制动控制、列车与其他车辆的协调控制等，以保证列车行驶的安全和稳定。

二、磁悬浮列车控制系统的实现方法磁悬浮列车控制系统的实现方法主要包括硬件和软件两部分。

硬件方面，控制系统通常由多个控制单元组成，包括电源单元、位置控制单元、速度控制单元、安全控制单元等，每个单元都有自己的功能和特点。

软件方面，磁悬浮列车控制系统通常使用分布式控制系统（DCS）和实时操作系统（RTOS）。

其中DCS可以将列车控制系统分解成多个子系统，并通过网络传输实现信息交互，从而更加灵活和可靠；而RTOS则可提供实时性强的软件支持，保证列车控制系统的速度和安全性。

此外，还有一些与磁悬浮列车控制系统相关的技术，如磁悬浮列车的无线充电技术和列车间的通讯技术等，这些技术都可以提高控制系统的性能和安全性。

三、磁悬浮列车控制系统应用现状目前，磁悬浮列车已在一些国家和地区得到广泛应用。

《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。

磁悬浮列车控制工作原理磁悬浮列车是一种通过磁力悬浮和推进的高速列车，相较于传统的轨道交通方式，磁悬浮列车具有更高的速度和更好的运行平稳性。

那么，磁悬浮列车是如何进行控制的呢？本文将以“磁悬浮列车控制工作原理”为题，探讨磁悬浮列车的控制方式和相关技术。

一、悬浮系统控制磁悬浮列车的悬浮系统控制是基础中的基础，它主要包括两个方面：悬浮力控制和悬浮高度控制。

1. 悬浮力控制悬浮力控制是磁悬浮列车运行的关键，它通过调节列车与轨道之间的磁场相互作用，使得列车能够在磁场力的作用下浮起，并达到所需的悬浮力。

通常情况下，悬浮力的控制通过调节磁铁或超导体线圈中通电电流的大小来实现，电流的大小和方向决定了磁场力的大小和方向，从而控制列车的悬浮力。

2. 悬浮高度控制悬浮高度控制是指控制列车与轨道之间的垂直间距，确保列车能够在适当的高度上悬浮并进行正常运行。

通常情况下，悬浮高度的控制通过调节磁铁或超导体线圈的电流来实现，电流的大小决定了磁力的大小，从而间接影响了悬浮高度。

二、推进系统控制除了悬浮系统的控制外，磁悬浮列车还需要推进系统的控制，以确保列车能够实现高速行驶。

磁悬浮列车的推进系统控制主要包括两个方面：牵引力控制和速度控制。

1. 牵引力控制牵引力控制是指控制列车的牵引力大小，以实现列车的加速和制动。

通常情况下，牵引力的大小通过调节列车上的电磁铁电流来实现，电流的大小和方向决定了牵引力的大小和方向。

2. 速度控制速度控制是指控制列车的运行速度，确保列车能够按照预定速度行驶。

通常情况下，速度的控制通过控制牵引力和制动力的大小来实现，调节电磁铁电流的大小和方向，从而调节牵引力和制动力的大小。

三、安全系统控制除了悬浮系统和推进系统的控制外，磁悬浮列车还需要安全系统的控制，以确保列车在运行过程中的安全性。

安全系统控制主要包括列车与轨道之间的通信系统、列车位置和速度检测系统、列车追踪和监控系统等。

1. 通信系统通信系统用于列车与轨道之间的信息传递和指令传输，确保列车能够获得及时的运行指令并作出相应的反应。

磁悬浮列车的运行机制和控制研究在高速交通领域，磁悬浮列车已经成为了一种重要的交通工具，它以独特的方式运行，其速度和稳定性都是高于传统的火车的。

磁悬浮列车的主要运行方式是通过磁力浮起车厢，使其与轨道之间保持一个特定的距离，然后通过线性电机驱动车厢进行前进。

在本文中，我们将详细介绍磁悬浮列车的运行机制和控制研究。

一、磁悬浮列车的运行机制1.1 车辆悬浮机制磁悬浮列车是一种基于高强度超导磁铁技术的交通工具，它通过电磁作用来控制车辆与轨道之间的距离。

具体而言，是在车辆和轨道之间放置一组磁系统，分别为牵引磁力、悬浮磁力和导向磁力系统，其中前两个系统用于控制车辆的运动轴向和车辆的悬浮高度，而导向磁力系统则用于保持车辆在轨道上的运行方向。

牵引磁力由车辆上的线圈组产生，它针对车厢的倾斜和运动方向变化进行自适应控制，以使车辆保持高度恒定和平稳运行。

悬浮磁力也是由车辆上的线圈组产生，它通过感应轨道上的永磁体产生的磁场来维持车辆的悬浮高度，同时还能调整车辆的悬浮高度，以应对各种环境变化。

导向磁力系统由车辆和轨道上的磁体共同构成，它能够保持车辆在轨道上的稳定运行。

1.2 车辆的驱动机制磁悬浮列车采用了线性电机驱动方式，线性电机是一种特别的电机，它的转动力矩不是通过旋转轴变化而产生的，而是通过沿着直线运动产生的。

在磁悬浮列车上，直线电动机位于车底和轨道之间的空隙中，它能够产生一定大小和方向的推力，以推动车辆前进或减速。

线性电机的工作原理是利用对极性相反的磁体间的相互作用力来产生推力。

当电流通过线圈时，产生磁场的同时，也产生了一个临时的极性，该极性可以被认为是与磁场向量叉乘的。

在磁悬浮列车上，这种力被利用来推动车辆，使其前进。

同时，通过控制磁场的方向和大小，也能够调整车辆的速度和停车距离。

二、磁悬浮列车的控制研究2.1 高速磁悬浮列车的控制目前，高速磁悬浮列车的研究和开发仍处于初级阶段，与传统的高速列车相比，它还存在许多问题，如速度过快、稳定性差、设计成本高等等。

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。

磁悬浮轴承系统的控制设计学生姓名沈炯锋指导老师贺红林摘要：磁悬浮轴承（简称磁轴承）是一种新型的支撑部件，是一种典型的机电一体化产品。

与传统轴承相比，它具有无接触、回转速度高、无磨损等特点,在航空航天、机械工程、机器人等高科技领域内，具有广泛的应用前景。

磁轴承的工作性能主要取决于其控制系统的好坏。

因此，本文着重地研究了磁轴承的控制系统的设计问题。

通过对磁轴承的发展历史和研究现状进行总结和回顾，论文首先简要地介绍了磁轴承的工作原理及其典型结构；然后，根据磁学和动力学的有关理论建立起了单自由度向心磁轴承的运动方程模型；紧接着，文中提出并研究了磁轴承闭环控制系统的结构方案；为了保证磁轴承工作的性能，文中引入了不完全微分的PID算法对其进行控制，同时还以MATLAB为工具对PID控制器的参数进行了整定；为了检验控制实施后磁轴承的性能,本文还从时域和频域等多方面对系统进行了仿真，结果表明，基于PID控制的磁轴承系统能获得预期的性能；在论文的最后，作者对全文进行了总结，并对进一步的研究工作进行了展望。

关键词：磁轴承系统 PID算法控制设计性能仿真指导老师签名：A design of control system on magnetic bea r ingsPrepared by: Shen JiongfengSupervisor: He HonglinAbstract:As a new kind of supporting components and a typical metronics product, magnetic bearings have many advantages such as no contact, high speed, and no abrasion etc. Magnetic bearings can be applied in many fields such as aviation and spaceflight , mechanical engineering and robot . The performance of control system is the key for the magnetic bearings to work steadily, so, the most important work in this paper is to design a steady control system.By the review of the history and the development of the magnetic bearings, the work principle and typical structure of such a bearing is introduced firstly; and then, based on magnetism and dynamics the kinematical equation of the bearing is built; after that, a control structure using PID law is proposed and studied. At the same time, the controller parameter is given; for verifying the performance of magnetic bearing with PID controller, the control system is analyzed by MATLAB in many aspects such as time domain and frequency domain. The result indicated that the magnetic bearings, which based on PID control, could acquire anticipant performance. Finally, the summary of this paper and the vista of further study are given by the author.Key words: magnetic bearings PID law design of controller simulation The signature of supervisor:目录1、绪论 (1)1.1、磁悬浮轴承简介 (1)1.2、磁悬浮轴承的基本原理 (2)1.3、磁悬浮轴承的研究现状与发展 (3)1.4、论文的主要工作 (6)2、磁悬浮轴承机械系统的设计 (8)2.1、磁悬浮轴承的结构及材料 (8)2.2、磁悬浮轴承系统的结构布置形式 (8)2.3、电磁铁的设计 (9)2.4、初始参数的选择 (11)3、磁悬浮轴承动力学模型的建立 (13)3.1、单自由度转子的数学模型 (13)3.2、转子的位移方程 (14)4、控制系统分析 (16)4.1、控制系统概述 (16)4.2、控制系统方框图 (18)4.3、传感器 (19)4.4、功率放大器 (20)4.4.1、线性功放 (21)4.4.2、开关功放 (21)4.5、控制器 (22)4.5.1、系统校正的概念 (22)4.5.2、校正的分类 (22)4.5.3、PID控制器 (23)5、控制系统的设计 (27)5.1、控制策略的选择 (27)5.2、控制系统主要元器件参数选择 (28)5.3、控制系统的性能指标 (29)5.4、控制系统仿真工具简介 (30)5.4.1、MATLAB介绍 (31)5.4.2、SIMULINK3.0 (32)5.5、控制器参数整定及仿真分析 (33)5.5.1、动态特性参数法（Ziegler-Nichols整定公式） (33)5.5.2、基于SIMULINK的仿真 (37)5.5.3、结果分析 (45)6、总结与展望 (47)致谢 (48)参考文献 (49)1、绪论1.1 磁悬浮轴承简介现代机械工程都在朝着信息化、自动化、智能化发展，近几十年的发展表明，在现代机械工程领域里，几乎所有有生命力、有发展前途、有较大影响的新技术、新工艺和新生科研方向都集中在机电一体化（mechantronics）领域。

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。

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 。

哈工大自动控制原理哈工大自动控制原理引言•自动控制原理（Automatic Control Principle）是指利用控制系统对被控对象进行调节、管理和控制的学科。

它广泛应用于各个领域，如机械、电子、航空、化工等。

什么是自动控制原理•自动控制原理是一门研究如何设计、分析和改进控制系统的学科。

它主要研究控制系统的建模、控制方法和控制理论。

控制系统的基本组成•控制系统由四个基本组成部分构成：1.被控对象（Plant）：也称为系统，在自动控制中是需要被控制的物理实体或过程。

2.传感器（Sensor）：用于测量被控对象的状态或输出信号，并将其转换成电信号。

3.执行机构（Actuator）：根据控制器的输出信号，将电信号转换成对被控对象施加的作用力、功率等。

4.控制器（Controller）：基于传感器测量值，计算出控制器输出信号，并将其发送给执行机构。

自动控制的基本原理•自动控制的基本原理是建立在数学模型和控制方法上的。

其主要包括以下几个方面：1.系统建模：将被控对象的动态特性转化成数学方程。

常见的建模方法有传递函数法、状态空间法等。

2.稳定性分析：通过数学分析和计算，确定控制系统在各种工况下是否稳定。

常见的稳定性分析方法有根轨迹法、频域法等。

3.控制器设计：基于系统模型和稳定性要求，设计出适合的控制器。

常见的控制器设计方法有比例积分微分控制器（PID）方法、模糊控制方法等。

4.闭环控制：将测量信号通过反馈路径返回给控制器，以实现对被控对象的控制。

闭环控制可以提高系统的稳定性和鲁棒性。

自动控制在工程中的应用•自动控制在工程中有着广泛的应用，以下是一些常见的应用领域：1.工业自动化：包括工厂自动化、流水线控制、机器人控制等。

2.交通运输：包括交通信号灯控制、自动驾驶等。

3.航空航天：包括飞行控制、导航系统等。

4.电力系统：包括发电厂控制、电网调度等。

5.化工过程：包括化工生产、反应控制等。

结语•自动控制原理作为一门学科，研究如何设计和改进控制系统。