磁悬浮传输系统的研究与设计
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摘要
目前国外在磁悬浮方面的研究工作主要集中在磁悬浮列车方面，德国和日本等国在这方面已经取得了重要进展，磁悬浮列车技术开始走向实用阶段。在我国，磁悬浮技术的研究从80年代初开始的，目前已掌握了磁悬浮列车技术。另外，在磁力轴承、磁悬浮天平、磁悬浮高速电机及相关技术的应用也都得到了发展，国外已经开发出这类高技术产品并已经进入市场。
本文对四点吸引式磁悬浮实验系统进行了设计和分析，对磁悬浮系统的各个组成部分及其原理进行了详细的说明。建立了磁悬浮系统的数学模型，并对数学模型在平衡点附近进行了线性化，得到了系统的状态方程和传递函数。在此基础上，分析了系统的能控性和能观性，对磁悬浮系统设计了线性状态反馈控制器、PID控制器、P-FUZZY-PI控制器和平衡法控制器。分别给出各种控制器的设计思想、方法和设计步骤。并把几种控制器的控制性能进行了仿真，得出了各种控制器的性能特点，分析了各种控制器在实际系统中的可行性，在实验的基础上，把平衡法控制器应用于磁悬浮系统，并给㈩了平衡法控制器的实现和控制算法。
Up to present, abroad research on magnetic suspension mostly centralizes on EMS maglev vehicle. Some countries, such as Germany and Japan, have made great strides. EMS maglev vehicle technology began to tend towards practical application phase. In our country, research on magnetic suspension has begun since earlier 1980's. In addition, magnetic bearing, magnetic balance, magnetically levitated electric machines, and correlative technology applications have developed. High tech productions in foreign nations have already exploited and entered market.
In this paper, a four-point attraction magnetic suspension system is designed and analyzed, the principle of each part of the magnetic suspension system is described in detail. The mathematic model of magnetic system is set up. By linearizing the mathematic model in the equilibrium point, the author gets the state function and transfer function of the system. On the basis of the mathematic model, the controllability and observeability are analyzed, several kinds of controller including linear states feedback controller, PID controller, P-FUZZY-PI controller, balance method controller are designed for the system. Some method and design steps of the controller are given. Simulations are made to the controllers, features and performance of each controller are gotten. Feasibility of each controller is analyzed. On the basis of experiment, the author proposes that to apply the balance method controller to the magnetic suspension system. At last, the application method and the control algorithm of the balance method controller are given.
本文对四点吸引式磁悬浮实验系统进行了设计和分析，对磁悬浮系统的各个组成部分及其原理进行了详细的说明。建立了磁悬浮系统的数学模型，并对数学模型在平衡点附近进行了线性化，得到了系统的状态方程和传递函数。在此基础上，分析了系统的能控性和能观性，对磁悬浮系统设计了线性状态反馈控制器、PID控制器、P-FUZZY-PI控制器和平衡法控制器。分别给出各种控制器的设计思想、方法和设计步骤。并把几种控制器的控制性能进行了仿真，得出了各种控制器的性能特点，分析了各种控制器在实际系统中的可行性，在实验的基础上，把平衡法控制器应用于磁悬浮系统，并给㈩了平衡法控制器的实现和控制算法。
Up to present, abroad research on magnetic suspension mostly centralizes on EMS maglev vehicle. Some countries, such as Germany and Japan, have made great strides. EMS maglev vehicle technology began to tend towards practical application phase. In our country, research on magnetic suspension has begun since earlier 1980's. In addition, magnetic bearing, magnetic balance, magnetically levitated electric machines, and correlative technology applications have developed. High tech productions in foreign nations have already exploited and entered market.
In this paper, a four-point attraction magnetic suspension system is designed and analyzed, the principle of each part of the magnetic suspension system is described in detail. The mathematic model of magnetic system is set up. By linearizing the mathematic model in the equilibrium point, the author gets the state function and transfer function of the system. On the basis of the mathematic model, the controllability and observeability are analyzed, several kinds of controller including linear states feedback controller, PID controller, P-FUZZY-PI controller, balance method controller are designed for the system. Some method and design steps of the controller are given. Simulations are made to the controllers, features and performance of each controller are gotten. Feasibility of each controller is analyzed. On the basis of experiment, the author proposes that to apply the balance method controller to the magnetic suspension system. At last, the application method and the control algorithm of the balance method controller are given.
引文
[1]赵鸿宾．磁悬浮技术综述．国际学术动态，1992(5)：43～47
[2]徐安，李永善．磁悬浮技术在德国的发展．城市轨道交通研究，2001(2)：64～68
[3]戴政．磁悬浮技术综述．中小型电机．2000，27(2)：24～26
[4]李强北．国外磁浮列车述评(上)．国外铁道车辆，1996(4)：1～8
[5]刘少克，常文森，尹力明．日本磁悬浮列车HSST-100运行试验综述．机车电传动，1997(6)：29～31
[6]孙永福，李瑞绅，李中浩．德国磁浮系与轮轨系高速铁路考察及思考．中国铁路，1997(3)：44～48
[7]林国斌，连级三．日本磁悬浮高速铁路发展情况及山梨试验线的技术与系统特点．机车电传动，1998(4)：5～8
[8]邵丙衡，陶生桂，庄红元．轮轨系统高速列车与磁悬浮列车的主要技术经济比较．机车电传动，1997(2)：1～4
[9]邵丙衡，陶生桂，倪光正．论磁悬浮列车的类型、核心技术与选型．机车电传动，1998(3)：1～4
[10]谢云德，常文森．电磁型(EMS)磁悬浮列车系统铅垂方向的建模与仿真．铁道学报，1996．18(4)：47～54
[11]曾佑文，王少华．磁浮列车车辆-轨道耦合振动及悬挂参数研究．西南交通大学学报，1999．34(2)：168～173
[12]RONALD D. WILLIAMS, F. JOSEPH KEITH, AND PAUL E. ALLAIRE. Digital Control of Active Magnetic Bearings. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. VOL.31,NO.1,FEBERUARY 1990 : 19～27
[13]Franco Maddaleno. A Modified Class G Amplifier for Active Magnetic Bearings. IEEE 1997:534～538
[14]Seung-Jong Kim and Chong-Won Lee. Diagnosis of Sensor Faults in Active Magnetic Bearing System Equipped With Built-In Force Transducers. IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL.4.NO.2,JUNE 1999:180～186
[15]曾励，黄民双，魏伟等．主轴系统混合磁悬浮轴承的设计．制造技术与机床，1999(2)：10～12
[16]谢振宇，张锁怀，丘大谋等．电磁轴承功率放大器的局部矫正设计方法．轴承，1999(5)：5～8
[17]李俊，徐德民，黄心汉．主动磁悬浮轴承的非线性反演变结构控制．华中理工大学学报，1999．27(5)63～66
[18]黄晓蔚，冯志华，唐钟麟．数字控制的电磁轴承系统的研究．机械设计与研究，1999(1)：52～54
[19]朱熀秋，徐龙祥，刘正埙．单自由度磁轴承数字控制器的研究．电气传动，1999，29(3)：23～24
[20]曹建荣，虞烈，谢友柏．感应型磁悬浮电动机的解耦控制．电工技术学报，2000，15(5)：1～5
[21]谢宝吕，任永德，王庆文．磁悬浮电机及其应用的发展趋势．微电机，1999，32(6)：28～30
[22]朱江．磁悬浮空中感应加热系统的稳定平衡．荆州师专学报(自然科学版)，1997年4月，20(2)：43～45
[23]方一麟，徐清．源磁悬浮手腕的非线性解耦控制．机器人，1997年3月，19(2)：129～133
[24]邓康，任忠鸣，陈坚强等．冷坩埚磁悬浮熔炼的电磁场分析．计算物理，2000年11月，17(6)，659～661
[25]刘小英，王凌，赵淑英等．汽车磁悬浮减振系统的结构分析与模型研究．武汉汽车工业大学学报2000年6月，22(3)：14～17
[26]顾国华，陈钱，张保民．一种基于电涡流传感器的数据采集系统．光电子技术，1997．917(3)：170～176
[27]蔡剑锋，于传军．涡流传感器在位移测量中的应用．信息技术，2000年，第5期：35～36
[28]TEXAS INSTRUMENTS. TMS320C24X DSP Controllers. CPU Systems & Instruction Reference Set. TI Company, U.S.A. 1997. 11.
[29]TEXAS INSTRUMENTS. TMS320C24X DSP Controllers. Peripheral Library and Specific Devices Reference Set. TI Company, U.S.A. 1997.11.
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[32]杨贵杰，崔乃政，王强等．集成DSP电机控制器ADM331与TMS320C240的比较．微特电机，2000年，28(4)(总第138期)：25～28
[33]史敬灼，李德，徐殿国等．基于TMS320F240的运动控制系统设计．微特电机．2000年，28(3)(总第137期)：27～30
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[35]宋正勋，胡贞，许红梅．DSP器件的原理和应用．22(2)：63～67
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[40]张冠生，陆俭国．电磁铁与自动电磁元件．机械工业出版社：1982．1
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[42]唐任远．特种电机．机械工业出版社：1997．7
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[44]杨鹏．高速磁悬浮转镜的研究与设计：[博士论文]．河北工业大学，2001
[45]孙英．基于DSP的磁悬浮控制系统研究与设计：[硕士论文]．河北工业大学，2001
[46]张强．磁悬浮控制系统的研究[硕士论文]．河北工业大学，2002
[47]孙英，杨鹏“单轴磁悬浮系统控制器的仿真研究”河北工业大学学报2000．(29)4：29～31
[48]William G.Hurley, Werner H. W(?)lfle. Electromagnetic Design of a Magnetic Suspension System. IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION. VOL.40. NO.2.MAY 1997:124～130
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[50]Richard J. Strahan and David B. Watson. Effects of Airgap and Magnet Shapes on Permanent Magnet Reluctance Torque. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.35, NO.1, JANUARY 1999:536～542
[51]Vilma A.Oliveira, Eduardo F. Costa, and Jerson B. Vargas. Digital Implementation of a Magnetic Suspension Control System for Laboratory Experiments. IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION. VOL.42, NO.4, NOVERMBER 1999:315～321
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[55]冯慈章．电磁场．高等教育出版社：1983．8
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[61]程卫国，冯峰，王雪梅等．MATLAB 5.3精要编程及高级应用．机械工业出版社：2000．4，238～320
[62]薛定宇．反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用．清华大学出版社：2000．4
[63]范影乐，杨胜天，李轶．MATLAB仿真应用祥解．人民邮电出版社，2001．3
[64]陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型PID控制及其应用．北京：机械工业出版社．1998．9，5～10
[65]金以慧．过程控制．清华大学出版社：1991．8
[66]邵惠鹤．工业过程高级控制．上海交通大学出版社：1997．10
[67]李士勇．模糊控制·神经控制和智能控制论．哈尔滨工业大学出版社：1996，8
[68]孟庆龙，颜威利．电器数值分析[M]．北京：机械工业出版社．1993，50～220
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