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1、中国地质大学长城学院本科毕业设计文献综述系 别工程技术学院学生姓名刘通专 业电气工程及其自动化学 号0431301082017年3月20日数字化上拉式磁悬浮系统设计1 设计的目的和意义磁悬浮系统能够创造一个无接触、无摩擦、无润滑的特殊空间环境，磁 悬浮技术可以用于实现零部件间无摩擦相对运动，不仅提高了运动速度与精 度，而且还能延长零部件使用寿命。由于磁悬浮系统的这些优点，目前它被 广泛用于工业生产中，磁悬浮技术不仅在电气等工业领域得到广泛应用，而且在人类生活中也开始得到应用，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，因此对它进行设计或研究具有十分重要的理论意义
2、和现实意义。2国内外研究现状20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，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，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1 km轨道上时速达165 km，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74 km长的试验线上，创造了时速431 km的日本最高记录。1999年4月日本研制的超导
3、磁悬浮列车在实验线上达到时速552 km，德国经过20年的努力，技术上已趋成熟，已具有建造运营线路的水平。原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400 km的磁悬浮铁路，总长度为248 km，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迟，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试验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为300 km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，上海将辅设13.8 km的磁悬
4、浮铁路，那时我国将成为世界上第一个具有磁悬浮运营铁路的国家。当前，国际上对磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。1988年召开了第一届国际磁悬浮轴承会议，此后每两年召开一次。1991年，美国航空航天管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。现在，美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力，推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室阶段，落后外国约20年。1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究。此后，清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学
5、、南京航空航天大学等都在进行这方面的研究工作。 目前在工业上得到广泛应用的基本上都是传统的磁悬浮轴承(需要位置传感器的磁悬浮轴承)，这种轴承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在，使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低，而且成本高、可靠性低。由于结构的限制，传感器不能装在磁悬浮轴承的中间，使系统的控制方程相互耦合，控制器设计更为复杂。此外，由于传感器的价格较高，从而导致磁悬浮轴承的售价很高，大大限制了它在工业上的推广应用。 如何降低磁悬浮轴承的价格，一直是国际上的热点研究课题。最近几年，结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果，诞生了一个
6、全新的研究方向无传感器的磁悬浮轴承。即不需要设计专门的位移传感器，转子的位移是根据电磁线圈上的电流和电压信号而得到的。这类磁悬浮轴承在以下几个方面得到了显著的改善和提高：转子的轴向尺寸变小，系统的动态性能得到提高；进一步提高了磁悬浮轴承的可靠性；便于设计磁悬浮轴承的控制器；价格会显著下降。3 课题研究的内容及主要技术 比例积分微分控制器(简称为 PID)由于其具有较强的鲁棒性，物理意义直观明确，易于工程实现，参数整定易学易懂，迄今为止已经在工业过程控制、运动控制、磁悬浮轴承控制系统等诸多领域中得到了十分广泛的应用。Kp、Ti、Td 分别表示比例增益、积分时间常数、微分时间常数，e（t）为控制器
7、的输入偏差，u（t）表示控制器的输出控制指令。PID控制算法简明直观，便于设计和参数调整等优点。比例增益 Kp 影响系统的上升时间和调节时间。 比例系数 Kp 越大，系统的响应时间越短；反之，调节速度就会降低，上升时间和调节时间就会增大。积分时间常数 Ti 影响系统的稳态误差。 只要有积分作用存在，控制器就一直动作直到消除稳态误差为止，因而积分作用主要是为了消除系统的稳态误差。微分时间常数 Td 影响系统的动态性能。 微分作用一般是根据系统的误差变化率提前动作的，提前预测误差的变化方向，能及时有效降低超调量。 所谓 PID 控制器参数的整定， 其实质就是根据被控对象的性质，选取确定 PID 控
8、制算法中的比例增益 Kp、 积分时间常数 Ti 和微分时间常数 Td 的值， 使被控对象的输出稳态和动态响应满足某种性能指标或多种性能指标组合的要求。4 毕业设计预期结果做出实物系统，完成PID整定，使浮子能稳定悬浮于系统中，并能使用软件进行实时监测。5 结论设计过程中，通过针对性地查找资料，了解有关PID控制系统，既补充了自己的专业知识，又提高了自己的应用能力和实践能力，对学过的课本理论知识起到了很好的温习作用。参考文献1 李松恩. 磁悬浮系统的设计及实验研究D. 合肥工业大学, 2010. 2 张雷. 磁悬浮球控制系统实验平台的研究与设计D. 南京航空航天大学, 2008. 3 黄勇. 单
9、自由度磁悬浮轴承系统仿真研究D. 南京航空航天大学, 2009. 4 王义还，席文明. 磁悬浮球控制系统的设计研究J. 计算机测量与控制， 2007，15(5)：608-609. 5卢建华，刘爱元基于 Mcs 一 51 单片机的磁悬浮球数字控制系统设计J微 计算机信息，200l，17(2) 6汪西乎，袁崇军，谢友柏电磁轴承系统的控制策略与功放电路的设计j西 安交通大学学报，1995，29(12)：68-74 7 蔡共宣. 基于 LabVIEW 的单片机数据采集与处理系统J. 河南工业大学学 报,2003(3). 8 郭洁，王召巴. 基于 LabVIEW 的串行通信接口设计与实现J.机械工程自
10、动化，2008（5）. 9 张占军，林小玲.磁悬浮球系统控制器的分析与设计J.机电工程，2007 ， 24(1) ：19-21. 10Qun ming L I, Zhu L, Zhen X U. Robust controller design of maglev ball systemJ. Journal of Central South University, 2007, 38(5):922- 927. 11Chen W, Meng X, Li J. PID Controller Design of Maglev Ball System Based on Chaos Parameters
11、Optimization.C/ 2010 International Conference on Machine Vision and Human-machine Interface. IEEE Computer Society, 2010:772-775. 12Mekky A E E, Alberts T. Modeling, Identification, Validation and Control of A Hybrid Maglev BallC/ ASME 2012 5th Annual Dynamic Systems and Control Conference joint with the JSME 2012 11th Motion and Vibration Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2012:423-432. 13 J.Phuah, J.Lu and T.Yahagi, Chattering Free Sliding Mode Control in Magnetic Levitation System, IEEJ Trans. EIS, vol.125, no.4,pp.600- 606, 2005. 第 3 页 共 3 页