摘 要： 介紹了磁懸浮球系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進行線性化處理；設(shè)計PID控制器，在Simulink環(huán)境下搭建控制系統(tǒng)的模型進行仿真研究，并在固高GML1001系列磁懸浮裝置上進行實時控制實驗。實驗結(jié)果表明，采用PID控制，能使鋼球快速地懸浮在期望位置，并且有一定的抗干擾能力。
關(guān)鍵詞： 磁懸浮球系統(tǒng)；PID控制；實時控制
磁懸浮（Magnetic levitation）是指利用電磁感應(yīng)原理，通過電流激勵電磁線圈產(chǎn)生磁場，從而將鐵磁物體懸浮起來的技術(shù)。由于磁懸浮系統(tǒng)的懸浮體與支撐體之間無任何接觸，克服了摩擦帶來的速度限制以及能量消耗，具有無摩擦、無噪聲等優(yōu)點，因此磁懸浮技術(shù)在磁懸浮列車、磁懸浮軸承、磁懸浮風(fēng)洞等技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而這類系統(tǒng)通常是開環(huán)不穩(wěn)定的而且用高度非線性的微分方程來表示，控制這些系統(tǒng)就顯得很困難，因此調(diào)節(jié)懸浮對象的位置，設(shè)計高性能的反饋控制器將是一個重要任務(wù)。
本文以固高GML1001系列磁懸浮裝置為基礎(chǔ)，完成了對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模及線性化處理，設(shè)計了PID控制器，對控制器的參數(shù)進行整定，并在MATLAB軟件下進行仿真及實時控制研究。
1 磁懸浮球系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)建模
1.1 磁懸浮球系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
本設(shè)計以固高GML1001系列磁懸浮球裝置為基礎(chǔ)，該系統(tǒng)由電磁鐵、LED光源、位移傳感器、放大矯正裝置、電流驅(qū)動器、被控對象(鋼球)等元器件組成，是一個典型的吸浮式磁懸浮系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
雖然仿真研究證明控制器工作良好，但是由于系統(tǒng)的模型是經(jīng)過離散化處理的，與實際模型必然存在一定的差距，因此還需進行實時控制來進行實際驗證。
3.2 實時控制
MATLAB軟件提供了一個實時開發(fā)環(huán)境，可用于實時系統(tǒng)仿真和產(chǎn)品的快速原型化，這一點通過特殊的應(yīng)用工具箱——Real-Time Workshop(RTW)[5]模塊實現(xiàn)。本實驗就是在RTW環(huán)境下實現(xiàn)的。
通過研華PC1-1711型數(shù)據(jù)采集卡連接實驗裝置與工控機，將設(shè)計的PID控制器用于磁懸浮系統(tǒng)試驗，其控制系統(tǒng)模型如圖4所示。
將目標值設(shè)定為20 mm的位置進行試驗。結(jié)果表明，仿真所得的控制參數(shù)應(yīng)用于實時控制有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，經(jīng)多次試驗，將參數(shù)調(diào)整為：Kp=1.6、Ki=0.03、Kd=20。這也證明了實際系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。圖5顯示了實際的控制效果。圖6顯示了系統(tǒng)在穩(wěn)定后加入一定干擾的控制效果，可以看出系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力。
本設(shè)計將PID原理應(yīng)用于磁懸浮控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，PID控制器效果良好，能將鋼球控制在期望的位置，設(shè)計達到了預(yù)期的效果。同時也為多自由度的磁懸浮系統(tǒng)研究，以及設(shè)計更復(fù)雜的控制器奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻
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