1、毕 业 设 计学生姓名： 学 号： 学 院： 电气工程学院 专 业： 测控技术与仪器 题 目： 磁悬浮球控制系统的滑模 变结构控制设计 指导教师： 评阅教师： 年 月河 北 科 技 大 学 毕 业 设 计 成 绩 评 定 表姓 名 学 号 成 绩专 业 测控技术与仪器题 目 磁悬浮球控制系统的滑模变结构控制设计指导教师评语及成绩指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见学院答辩委员会主任： 年 月 日注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书中。毕 业 设 计 中 文 摘 要随着科技的不断发展与进步，电悬
2、磁浮系统因其独特的噪声小、磨损少、控制精度高、能源消耗极少等多处优势广泛应用于经济的各个领域。本文详细地介绍了磁悬浮技术的发展历史与现状，以及对滑模变结构控制的概述，包括滑模控制的简介及其优缺点、滑动模态的定义、滑模变结构控制的发展历史与研究现状、滑模控制的基本原理及控制器设计步骤等等一系列关于滑模控制的问题的介绍。文中以磁悬浮小球控制系统为主要研究对象，将其基本组成结构以及其工作的基本原理进行分析研究，并在此基础上建立该控制系统相应的数学模型，然后利用滑模变结构控制方法对磁悬浮小球系统进行控制器的设计，同时利用 MATLAB 仿真软件对此控制器不断仿真研究，最终实现对磁悬浮球系统的控制。关键
3、词： 磁悬浮球系统 滑模控制 MATLAB 仿真本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 36 页毕 业 设 计 外 文 摘 要Title Sliding Mode Variable Structure Control Design Of Magnetic Levitation Ball Control System AbstractWith the continuous development and progress of science and technology, electric suspension maglev system because of its unique low n
4、oise, less wear and tear, high control accuracy, consumes very little energy and so many advantages it is widely used in various sectors of the economy. This article describes in detail the history and current situation of the development of magnetic suspension technology, as well as an overview of
5、variable structure control, including the development of history and Sliding Mode Control Introduction, advantages and disadvantages of the definition of sliding mode, sliding mode variable structure control the status quo, the basic principle of sliding mode control and controller design step, and
6、so a series of sliding mode control problem description. Text to maglev ball control system as the main research object, the basic principles of basic structures and its work were analyzed, and the establishment of the control system on the basis of the corresponding mathematical model, and then use
7、 the variable structure control method magnetic levitation ball system controller design, while taking advantage of MATLAB simulation software simulation of this controller constantly, and ultimately for Magnetic levitation ball system.Keywords: Magnetic Levitation System Sliding Mode Control MATLAB
8、 simulation本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 36 页目 录1 绪论 .11.1 磁悬浮技术简介 .11.2 磁悬浮技术应用 .11.3 磁悬浮技术历史发展与现状 .41.4 课题研究的意义 .51.5 主要研究内容 .61.6 本章小结 .72 滑模变结构控制（SMC ） .82.1 滑模变结构控制概述 .82.2 滑模变结构控制的发展历史及研究现状 .92.3 滑模变结构控制的基本原理 .102.4 抖动问题及其削弱措施 .122.5 本章小结 .143 磁悬浮球控制系统 .153.1 磁悬浮球控制系统的组成及结构图 .153.2 磁悬浮球控制系统的工作原理 .163.3
9、磁悬浮球控制系统的数学模型 .173.4 本章小结 .224 滑模变结构控制设计 .234.1 滑模变结构控制器的设计 .234.2 滑模控制器的抖动削弱 .264.3 滑模控制器的稳定性分析 .284.4 仿真研究 .284.5 本章小结 .32结论 .33本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 36 页致谢 .34参考文献 .351 绪论目前，电磁悬浮技术（又称 EML 技术）依旧是国内外研究的主要热点，其中以磁悬浮高速列车，磁悬浮轴承等的发展最为显著。它的基本原理很简单，就是利用电磁力“同性相斥、异性相吸”的特点来使得其所控制的对象的重力保持相对平衡，以致其能够达到悬浮状态，并稳固在一个
10、特定的位置。也恰恰因为其能够保持悬浮状态不变，无任何接触点 ，才使得磁悬浮技术拥有噪声小、磨损少、控制精度高、能源消耗极少等多处优势。而在能源极度紧张的当今社会，对磁悬浮技术的继续深入研究与应用无疑具有更为重要的意义。1.1 磁悬浮技术简介在当今情况下，航天领域的发展正逐步的稳定向前。以模拟微重力为背景的的空间悬浮技术正逐步成为许多国家所进行相关科技含量较高的研究的主角。当时间走到 2012 年的时候时，悬浮技术已开拓了多个领域，例如电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，上述的相关的领域中，电磁悬浮（即 Electro Magnetic Suspension，简称 EMS
11、)的发展是日渐成熟的，同时在各方面的应用也是相对比较广泛的。其主要原理是利用某一高频率电磁场在金属球表面产生的涡流来实现对金属球的升降控制，从而达到一种悬浮状态。假设一种情况，倘若某一个线圈是带有高频电流的，试着把某个金属原件放入线圈中，此时金属的表面便会有高频涡流的出现。因为其与磁场的互相作用，所以洛伦兹力会作用到该金属上。假设通过调试，可以使条件变得理想，这时洛伦兹力便会等于物体本身的重力，因此物件会处于平衡，这样就实现了电磁悬浮。1.2 磁悬浮技术应用磁悬浮就是利用电磁场产生的非机械接触式的电磁力来克服被控对象自身的重力，使得被控对象脱离原位置，从而可以无接触的悬浮于高空的一门先进本 科
12、 毕 业 设 计 第 4 页 共 36 页技术。此项技术是在自动控制理论基础不断发展的前提下而建立起来的一种自动控制技术。其主要特点是：无摩擦、无污染、非机械式接触、噪音小等，且能够消除因为摩擦而产生的相对阻力。这些优点使得它在交通、冶金、机械、电器等多个方面都有广泛的实际应用，有着最为广阔的应用前景 1。世界各地所研究最为广泛的当属磁悬浮列车、轴承两大方面。1.2.1 磁悬浮轴承磁悬浮轴承中的转子与轴承是相对分离的，其原理便是利用了电磁场所产生的力，使非接触的设计理念得到了实现。由于磁悬浮轴承系统总是同时包含多个传感器，必定使得其轴向尺寸有所增大、同时系统的动态性能相应降低。其中，最不可忽视
13、的重要缺陷就是该系统成本较高、可靠性反而很低。并且，受磁悬浮轴承系统结构的限制，为了保证系统中不会发生相互耦合，传感器被安装的位置便受到了限制，它不能出现在轴承的中间位置，因此这种设计便会变得相对复杂。另外传感器的昂贵的售价也会降低轴承的性价比，使它的发展收到了一定的限制。因而，就目前看来，想办法“如何去降低磁悬浮轴承的销售价格”依旧是国际上某些研究课题的一个热点。近几年，科学家们不断借鉴于磁悬浮轴承以及无传感器检测技术的两大项研究方法及其研究成果，并将这两大研究领域的最新的研究成果相结合，从而诞生出一个全面的、最新的领域研究方向，即无传感器的磁悬浮轴承技术的研究发展 2。此时的磁悬浮轴承系统
14、已不需要再设置专门的位移传感器，它的转子的位移可以根据电磁铁线圈上的电流和电压信号得到。其优势在于转子所占的空间变得更小，使系统提高动态性能得到了实现，有效的增加了自身的稳定性。因而，此类型的磁悬浮轴承系统所需要的控制器将会更便于进行设计，其价格亦会呈现一种明显下降的趋势。1.2.2 磁悬浮列车磁悬浮列车可以形象的理解为“飘着”列车，其原理便是利用电磁铁所产生的力，使得机车能够与轨道实现零接触，实现了悬浮状态，同时，电磁铁还能进一步控制机车的运行方向。依据悬浮方式，机车是分为磁吸型和超导排斥型这样两大领域的。在常导磁吸型磁悬浮列车中，常常以德国研究生产的高速度常导磁悬浮列车 Trans Rap
15、id 为主要代表，其工作原理为轨道下方存在的导磁体会被由机车中常导电流产生的力吸引，因此机车便会处于稳定的悬浮状态。本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 36 页另一种超导排斥性的机理为列车行驶的地面上的线圈会与超导磁体所产生的磁场互相作用，排斥力便因此产生，因此机车便会悬浮起来。但磁悬浮列车有很多弊端，譬如其悬浮的气隙相对较大，且应用技术相当复杂，同时，去屏蔽发散的电磁场也是必不可少的一项重要防范措施。这其中，德国与日本 在此方面的研究是占据着相对靠前的位置的。在 20 世纪 80 年代初期，我国方才开始着手于磁悬浮列车的技术研究，起步较世界其他各国都晚一些。然而，我国在磁悬浮列车技术的研
16、究上发展却相对较快。我国是世界上首先做到单线通车并投入了商业化运营道路的高速磁悬浮线路。因而，我国的磁悬浮列车技术的研究较为深入，且速度发展很快，丝毫不落后于世界上其他各国。其中，世界上的第一条具有商业运营性质的高架桥磁悬浮专线当属在 2002年底试运行且 2003 年初在我国全线运行的上海磁悬浮列车。上海的磁悬浮列车上装有电磁铁，属于“常导型”磁悬浮列车，利用电磁力“同性相斥、异性相吸”的特点来使得其所控制的对象的重力保持相对平衡，以致其能够达到悬浮状态，并稳固在一个特定的位置。此列车被称为 21 世纪人们最理想中的超级特快车，其时速每个小时可高达 430 公里，仅仅低于飞机的飞行速度。1.
17、2.3 其他应用当今社会是逐步往前发展的，因而会对一些设备的要求变得相对“苛刻”。与此同时，关于某些较长行程以及超精密的运动控制的技术研究也越来越吸引人们的注意，各国都想要研究并钻研更多更好的技术。通过对先前进行的研究的分析，可以看到，若想提高行程，实现精密度更加准确的运动控制，必须来消除摩擦力本身非线性因素所带来的相关影响，依托大量的实验结果与结论，最好的方法便是磁悬浮控制。这样，磁悬浮工作台便走入了人们的视野。此技术有两项至关重要的难点，其一：电磁铁的相关结构及其参数的选择；其二：工作状态下北方物体会与电磁铁的铜损产生一定的矛盾。为解决上述技术难点，工作台上变多出来了一个电磁铁，目的是增加
18、吸引力以此来平衡重力。面对第二难点，只是减小磁铁的大小是相对徒劳的，所以必须想办法降低其静态功耗，此时则需要设计尺寸尽量大的电磁铁。若想磁悬浮工作台技术能有很好的发展，就必须解决此类问题。在这种情况下，西安交大的研究人员经大量实验后利用本 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 36 页三磁极电磁铁所建造的工作台便合理的解决了第二个难点，这使得磁悬浮往前更近了一步。在磁悬浮技术飞速发展的当今时代，一些工业生产和人们的日常生活中，还存在着磁悬浮风力发电机、磁悬浮电梯、磁悬浮天平、磁悬浮机床等等越来越多的实际应用，汽车以及钢铁行业都出现了磁悬浮技术的身影，面对此技术的大好前景，不难想象到，更多的实用性
19、的产品会逐步进入人们的视野。1.3 磁悬浮技术历史发展与现状时间追溯到 17 世纪，那个时间节点的人们曾经一度认为物体能够悬浮的可能性是为零的，就好比人们曾认为太阳是围绕着地球旋转的一样，这并不是人们见识短浅，只是那时候的科学技术还是处于萌芽阶段的。一些尝试着令某些物体处于悬浮状态的做法也相继以失败而告终，其中就有大家能想到的方法利用一些物件自带的磁力让物体悬浮起来。当时间的指针走到 1840 年，英国著名科研家 Earnshow 教授指出并论证了在只有磁性材料这个前提下，没有可能性来让物件处于稳定的漂浮状态 3-5。二十世纪初，一些科学家建立起磁悬浮的雏形，其基本原理便是通过技术手段，有极大
20、的可能令物体甩掉本身的重力，进而以很高的效率来运转，此时，磁悬浮列车开始揭下了其神秘的面纱，虽然这只是一个假设，但这也是科学技术在不断进步的一个体现。二十世纪三十年代，德国赫尔曼提出，利用电磁铁磁场的可操控性，不会让悬浮的物体失去其稳定的状态，过了二十年，法国做出了由电磁铁及传感器组成的磁悬浮系统的猜想，此举被看做是磁悬浮开端。1960 年，美利坚合众国的专家提出了关于磁悬浮包含现实意义的运输系统，这时世界上对将磁悬浮应用到机车上的想法表现出越来越大的兴趣。研究磁悬浮运输的经济强国如雨后春笋般越来越多。在控制装置的体积变得越来越小时，磁悬浮列车也进入了发展的提速阶段，在其历史发展中，有着划时代
21、意义的便是十九世纪 60 年代，列车模型的成功创建并获得了 165km/h 上午速度。世界上此技术研发处于看领先地位的当属日、德。磁悬浮伴随着时光的流逝，其拥有破茧成蝶般的蜕变，不仅在机车上有其身影，还可以在轴承中看到它大放异彩的场景。在二十世纪 80 年代举办的轴承本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 36 页会议中，会议参与人员关于此技术的发展方向及相关需要攻克的难题做了深入的研讨，接下来的时间里，没过 2 年，便召开一次这个会议。这个会议的成功召开，对世界工业的发展有着深刻的意义，为磁悬浮的进一步发展奠定了基础。磁悬浮系统里有很多构件，其中一个便是功率放大器，它也在不断地“进化”中，一
22、开始，它只是单纯的老式的具有线性功能的放大器，虽然其构造不复杂、有着良好的抗不稳定性并且还可以便于人们实时掌握它的信息等优势，但其没有优良的动态性能，对能量的消耗也比较大，这些特点注定了它只适用于功率低的系统。当实际生活中对系统的响应时间，处理效率需求越来越高时，开关型的功率放大器开始走入人们的视野。这种开关型让磁悬浮往前迈了大的一步，在使动态性能变得更加完善的同事，又做到了节省能源，令系统工作效率得到提高，不过也要看到它不完美的一面，因为自身问题，有很大的可能产生失真情况，空间利用率降低，构造是相对复杂的。面对这种情况，集成放大器便问世了。我国在磁悬浮技术研究领域起步较晚，是在 1980 年
23、开始着手磁悬浮的研究，西南交大是第一家开始研究的高校，在其努力下，攻克了单自由度实验，使得本身对电磁原理有了很深的理解，并于 1990 年做出了磁浮模型车。同年代，国防科大做出了一台实验机车。迄今为止，经过不懈的努力与坚持，中国在这个方面收获颇丰，尤其是部分高校，对磁悬浮的贡献是巨大的，例如，西安交大关于电磁铁的研究，一次次的突破终使其被全新设计，国防科大在列车领域所申请的一个又一个的专利也从侧面反映出它的付出与收获，哈工大在轴承方面的突破性进展等等。1.4 课题研究的意义悬磁浮系统因其独特的优势广泛应用于经济的各个领域，但该系统本质上却是不稳定的，非线性的控制系统。从实际出发，不难看出，当今
24、社会中关于磁悬浮的控制器所基本的出发点几乎都是对某一个平衡点进行线性化处理得到的。此方法的相对劣势便是当这一平衡点发生相对变化时，无法再根本上处理系统的控制问题，因而只能做到让系统的部分处于稳定的状态。面对这种情况，加强非线性方面的研究显得比较紧要。哜哜，服饰最关键的一个问题，就是要选择搭配到位。首先要适合你的身份，适合你的地位。其次要把不同的服装搭配在一起，要给人和谐的美感。5、谈吐。就是语言，要讲普通话。第一要压低声量，打电话和谈话能声音过大，声音过大显的没有修养。受教育程度不高。说话的声音低一点有二个好处，一是- IV -符合规范，二是比较悦耳动听。第二、慎选内容，言为心声。你所讨论的问
25、题，首先是你的所思所想，要知道该谈什么不该谈什么。第三、在商务交往中谈吐时礼貌用语的使用也是很重要的，前面已经说了。 6、待人接物。有三个基本事项，事关你的形象。时关你的企业生命。第一诚信为本；第二遵法守纪（给外国人买机票）；第三“遵时守约“。时间就是生命、时间就是效益，商务交往中必须要遵守时间，这关系到三点：一、是对人尊重不尊重的表现，二、你尊重不尊重自己，尊重别人就是尊重自己，自己讲不讲信誉；三、你有没有现代意识，不遵守时间就是没有现代意识的表现。参 考 文 献1 曹浩文编著.如何掌握商务礼仪 .北京大学出版社. 2004 年2 李荣建, 宋和平编著. 礼仪训练.华中理工大学出版社. 20
26、05 年 3 徐觅. 现代商务礼仪教程 .北京邮电大学出版社. 20084 庄铭国著. 国际礼仪.中共中央党校出版社. 2006 年 5 杨狄主编. 社交礼仪.杨狄主编，高等教育出版社. 2005 年 6 陈柳.职业人形象设计与修炼. 上海远东出版社. 2004 年 7 沈驷. 错误的礼仪.复旦大学出版社. 1999 年 8 李莉. 实用礼仪教程.中国人民大学. 2002 年 9 刘小清主编. 现代营销礼仪.东北财经大学出版社. 2002 年 10 交际礼仪学，华中理工大学出版社，1997.1 李鸿军著 11 西方人的习俗，上海辞书出版社，2003.9 高福进编 - V -致 谢论文写作得到了农业大学经济管理学院 XX老师的同意，以此致谢
