【正文】 n use.Control loop basics A familiar example of a control loop is the action taken when adjusting hot and cold faucet valves to maintain the faucet water at the desired temperature. This typically involves the mixing of two process streams, the hot and cold water. The person touches the water to sense or measure its temperature. Based on this feedback they perform a control action to adjust the hot and cold water valves until the process temperature stabilizes at the desired value. Sensing water temperature is analogous to taking a measurement of the process value or process variable (PV). The desired temperature is called the setpoint (SP). The input to the process (the water valve position) is called the manipulated variable (MV). The difference between the temperature measurement and the setpoint is the error (e), that quantifies whether the water is too hot or too cold and by how much. After measuring the temperature (PV), and then calculating the error, the controller decides when to change the tap position (MV) and by how much. When the controller first turns the valve on, they may turn the hot valve only slightly if warm water is desired, or they may open the valve all the way if very hot water is desired. This is an example of a simple proportional control. In the event that hot water does not arrive quickly, the controller may try to speedup the process by opening up the hot water valve moreandmore as time goes by. This is an example of an integral control. By using only the proportional and integral control methods, it is possible that in some systems the water temperature may oscillate between hot and cold, because the controller is adjusting the valves too quickly and overpensating or overshooting the set point. In the interest of achieving a gradual convergence at the desired temperature (SP), the controller may wish to dampthe anticipated future oscillations. So in order to pensate for this effect, the controller may elect to temper their adjustments. This can be thought of as a derivative control method. Making a change that is too large when the error is small is equivalent to a high gain controller and will lead to overshoot. If the controller were to repeatedly make changes that were too large and repeatedly overshoot the target, the output would oscillate around the setpoint in either a constant, growing, or decaying sinusoid. If the oscillations increase with time then the system is unstable, whereas if they decrease the system is stable. If the oscillations remain at a constant magnitude the system is marginally stable. A human would not do this because we are adaptive controllers, learning from the process history。我的論文是在郭鵬老師的認(rèn)真的指導(dǎo)和細(xì)致的批改下才得以順利完成。本文旨在對(duì)磁懸浮球系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行研究。校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： ()校正后系統(tǒng)的相角裕度 ()求出那么，超前滯后校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 ()系統(tǒng)校正后的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： ()。那么，可以根據(jù)頻率校正法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。因此，可以用時(shí)間信號(hào)在變換域中的表示來(lái)確定頻率特性的定義。由于，令s的實(shí)部為零時(shí)，就可以得到另一個(gè)復(fù)變函數(shù)表示為 ()復(fù)變函數(shù)的自變量為頻率，因此將其稱為頻率特性。 較正后根軌跡圖 經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，當(dāng)取時(shí)，系統(tǒng)性能相對(duì)更好一些。由理論知識(shí)可知，增加開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，可以改變?cè)懈壽E的實(shí)軸分布法則，可以改變?cè)懈壽E的實(shí)軸分布情況；其次，可以使得原系統(tǒng)根軌跡的整體走向在s平面上向右移。其結(jié)果是系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞，這與系統(tǒng)的階數(shù)增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差的結(jié)果是一致的。這種方法叫根軌跡法。運(yùn)用工程試驗(yàn)法對(duì)PID控制器的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。工程實(shí)驗(yàn)法步驟 在工程實(shí)驗(yàn)時(shí)，參考各參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的響應(yīng)趨勢(shì)，實(shí)行先比例，后積分，在微分的反復(fù)調(diào)整。磁懸浮系統(tǒng)是強(qiáng)非線性系統(tǒng)，在實(shí)際過(guò)程中存在很多非線性因素干擾并且在平衡點(diǎn)線性化得到的系統(tǒng)模型是忽慮了很多非線性因素后得的方法[19]。增量式PID控制算法表達(dá)式為： ()PID控制是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐總結(jié)形成的一種控制方法。積分作用的強(qiáng)弱取決于時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。最后，對(duì)所得控制對(duì)象的模型進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制仿真和閉環(huán)控制仿真。即，傳遞函數(shù)為： () PID控制器直接選用MATLAB中的給定控制器。 開(kāi)環(huán)階躍仿真框圖 其中。由磁路的基爾霍夫定理可知 ()式中，N為電磁鐵線圈匝數(shù)，i為電磁繞組中的瞬時(shí)電流，為鐵芯磁通。 電磁鐵電感曲線 電磁鐵通電后所產(chǎn)生的電感與小球到磁極面積的氣隙有如下關(guān)系： （) 由式()可知： () 又因?yàn)?故有： () 根據(jù)基爾霍夫電壓定律有： () 式中:—為線圈自身的電感，單位H —為平衡點(diǎn)處的電感，單位H —小球到磁極面積的氣隙，單位m —電磁鐵中通過(guò)的瞬時(shí)電流，單位A R—電磁鐵的等效電阻，單位Ω三、電流控制模型在磁懸浮系統(tǒng)中，對(duì)電磁力采用兩種控制策略：電流控制控制方式和電壓控制方式。第二節(jié) 磁懸浮系統(tǒng)的工作原理磁懸浮球?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)是一個(gè)典型的吸浮式懸浮系統(tǒng)。本論文所用的磁懸浮試驗(yàn)平臺(tái)采用的是渦流傳感器，鋼球相對(duì)于平衡位置的距離經(jīng)過(guò)渦流傳感器檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為電壓量，再由信號(hào)放大器放大輸出。辨識(shí)、狀態(tài)估計(jì)和控制理論是現(xiàn)代控制理論三個(gè)相互滲透的領(lǐng)域。以上問(wèn)題都對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的控制器提出了很高的要求，為此大量的研究集中在控制方法和控制手段上。1988年召開(kāi)了第一屆國(guó)際磁懸浮軸承會(huì)議，此后兩年一次[7]。高速磁懸浮電機(jī)高速磁懸浮電機(jī)是近年提出的一個(gè)新研究方向，它集磁懸浮軸承和電動(dòng)機(jī)于一體，具有自懸浮和餐動(dòng)能力，不需要任何獨(dú)立的軸承支撐，且具有體積小、臨界轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，更適合于超高速運(yùn)行的場(chǎng)合，也適合小型乃至超小型結(jié)構(gòu)。在制造磁懸浮列車的角逐中，日本和德國(guó)是兩大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 近年來(lái)，磁懸浮技術(shù)作為新興機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展迅速，與其它技術(shù)相比，磁懸浮技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式的運(yùn)動(dòng)控制，避免了機(jī)械接觸，減少損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；②無(wú)需潤(rùn)滑，可以省去泵、管道、過(guò)濾器、密封元件；③功耗低，減少了損耗；④定位、控制精度高，其上限取決于位移傳感器的精度；⑤清潔無(wú)污染[2]。在此基礎(chǔ)上也有研究人員將需要大電流勵(lì)磁的電磁鐵部分換成可控型永久磁鐵，這樣可以大幅度降低勵(lì)磁損耗。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，帶來(lái)了磁懸浮控制系統(tǒng)向智能化方向的快速發(fā)展。由于磁懸浮系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，在很大程度限制了先進(jìn)控制算法的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。xxxx大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)（論文）題目：基于磁懸浮球裝置的控制算法研究畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。為了滿足日益復(fù)雜的控制要求和提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本文以單自由度磁懸浮球系統(tǒng)為研究對(duì)象，在分析磁懸浮系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)學(xué)模型并對(duì)其控制器進(jìn)行了研究，以期望達(dá)到更好的控制效果。近年來(lái)，磁懸浮技術(shù)開(kāi)始由宇航、軍事等領(lǐng)域向一般工業(yè)應(yīng)用方面發(fā)展，廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如：磁懸浮列車、磁懸浮隔振器、磁懸浮軸承、高速機(jī)床進(jìn)給平臺(tái)、磁懸浮硬盤(pán)、飛輪電池等。②永久磁鐵斥力懸浮方式這種控制方式利用永久磁體之間的斥力，根據(jù)所用的磁材料的不同，其產(chǎn)生的斥力也有所差別。目前，各國(guó)都在大力發(fā)展磁懸浮技術(shù)的多方面應(yīng)用，以期適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展要求。1994年2月24日，日本的電動(dòng)懸浮式磁懸浮列車，在宮琦一段74km長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)線上，創(chuàng)造了時(shí)速431km的日本最高記錄。國(guó)外自90年代中期開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行了研究，相繼出現(xiàn)了永磁同步型磁懸浮電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻型磁懸浮電機(jī)、感應(yīng)型磁懸浮電機(jī)等各種結(jié)構(gòu)。1991年，美國(guó)航天管理局還召開(kāi)了第一次磁懸浮技術(shù)在航天中應(yīng)用的研討會(huì)。近年來(lái)，一些先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論方法在磁懸浮軸承上應(yīng)用的研究也逐漸開(kāi)展起來(lái)，但因?yàn)榇艖腋≥S承的參數(shù)不確定性和非線性使得一些現(xiàn)代控制算法如最優(yōu)控制無(wú)法達(dá)到預(yù)期的控制精度[9]。辨識(shí)和狀態(tài)估計(jì)離不開(kāi)控制理論的支持，實(shí)際的控制系統(tǒng)離不開(kāi)被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，但實(shí)際的被控系統(tǒng)往往都是未知的，并且建立復(fù)雜的被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型一般是很難做到的。為了消除傳感器電路中的高頻噪音，在傳感器電路中還帶有低通濾波器，其時(shí)間常數(shù)很小，對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。 磁懸浮球系統(tǒng)原理圖電磁鐵繞組中通以一定的電流就會(huì)產(chǎn)生電磁力F，控制電磁鐵繞組中的電流，使之產(chǎn)生的電磁力與鋼球的重力mg相平衡，鋼球就可以懸浮于空中而處于平衡狀態(tài)。建立系統(tǒng)模型就是分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)物理規(guī)律，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法將其規(guī)律準(zhǔn)確表達(dá)。將式()代入式()，可得到鐵芯磁通為： () 當(dāng)電磁鐵工作在非飽和狀態(tài)時(shí)，電磁鐵的磁鏈為： ()另外，電磁力可由與它磁場(chǎng)同能量的關(guān)系表示為： ()式中，為磁能能量，并且 ()將式()代入式()，再代入()，可得到電磁力為 () 令，則有