摘 要 ： 磁悬浮是利用电磁吸力来克服重力将物体稳定悬浮在空中的技术，是一门综合材料学、电磁学、控制理论、电力电子技术、信号处理以及计算机科学等众多领域的边缘学科，技术含量高，应用前景十分广阔。而电磁悬浮系统则是研究磁悬浮技术的平台，研究并设计使悬浮体稳定悬浮的技术不仅对磁悬浮技术的深入研究做出一定的贡献，而且对其他不稳定系统的控制设计也具有一定的借鉴和参考价值。
本文在介绍了电磁悬浮控制系统的基本原理基础,建立了电磁悬浮控制系统的位置和电磁控制电压关系的数学模型,并采用了复合模糊控制器设计了磁悬浮控制系统，在Matlab/ Simulink下进行了仿真实验,并取得了令人满意的仿真结果，最终实现了电磁悬浮系统的稳定悬浮。
关键词：电磁悬浮；模糊控制；数学模型
电磁悬浮系统是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。电磁铁中的线圈通以一定的电流会产生磁力,若产生的磁力和悬浮体的重力相平衡,悬浮体就可以悬浮在空中而处于平衡状态。但是这种平衡状态是一种不稳定的平衡,这是由于当气隙加大时, 吸引力减小,导致悬浮体向下降落;或者当气隙减小时,吸引力加大,导致悬浮体向上被电磁铁吸住。为了使悬浮体和电磁铁之间始终保持一定的气隙,必须对系统实现闭环控制。利用传感器检测浮体的位置,由控制器通过一定的控制算法得到控制量,控制电流驱动器的功率输出来调节电磁铁的电流大小,即调节磁场力, 使其与悬浮体的重量相平衡,从而使悬浮体达到一种动态的稳定平衡[14]。
电磁悬浮控制系统构成
电磁铁中的线圈通以一定的电流会产生磁力, 若产生的磁力和悬浮体的重力相平衡, 悬浮体就可以悬浮在空中而处于平衡状态。但是这种平衡状态是一种不稳定的平衡, 这是由于当气隙加大时, 吸引力减小, 导致悬浮体向下降落; 或者当气隙减小时, 吸引力加大, 导致悬浮体向上被电磁铁吸住。为了使悬浮体和电磁铁之间始终保持一定的气隙, 必须对系统实现闭环控制。利用传感器检测浮体的位置, 由控制器通过一定的控制算法得到控制量, 控制电流驱动器的功率输出来调节电磁铁的电流大小, 即调节磁场力, 使其与悬浮体的重量相平衡, 从而使悬浮体达到一种动态的稳定平衡。如图 所示。
图中有2个阶跃信号输入模块Step1和Step2。其中阶跃信号2通过与增益输出结合经过微分环节，通过模糊控制器和PID控制器调节与阶跃信号1组成上半部分的输入信号。由减模块Subtract1出来的信号经过微分环节微分，再经过放大模块Gain的放大重新与Step2阶跃信号通过混合Mux混合，最后由示波器Scope输出最后的结果。
通过Simulink的仿真可以看出：复合模糊控制实现的磁悬浮控制系统效果很好。所设计的模糊PID串联控制器具有很好的控制性,曲线平滑,稳态误差小,在平衡点阶跃1附近无震荡,受干扰变化小。经过多次调试, 证明其系统稳定可靠。动态性能和静态刚度都达到了较好的效果。
