【正文】 用 PC 機(jī)控制磁懸浮系統(tǒng)的方法并不唯一，針對(duì) PC 機(jī)控制的磁懸浮系統(tǒng)，還有以下幾個(gè)方面值得進(jìn)一步研究： 可以考慮更加先進(jìn)的控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，自適用控制等，至于這些控制方法的可行性有待以后進(jìn)一步研究才可得知，所以磁懸浮系統(tǒng)控制算法未來的發(fā)展應(yīng)該更加多元化； 本文所采用的是 MATLAB 軟件，今后也可以利用 MATLAB 的可視化圖形界面設(shè)計(jì)，開發(fā)出關(guān)于這些控制算法的磁懸浮應(yīng)用工具箱或者軟件，方便磁懸浮技術(shù)研究人員對(duì)磁懸浮控制進(jìn)行深入研究。 結(jié)合以上規(guī)律進(jìn)一步調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，當(dāng)pk、 ik 和dk分別為 1， 和 時(shí)，可以得到如圖 所示的階躍響應(yīng)曲線，此時(shí)系統(tǒng)的上升時(shí)間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間等動(dòng)態(tài)性能綜合較好。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 108642024x 1 040 k p = 1 , k i = 1 . 3 。 0 .1p i dK K K? ? ? 圖 PID 中的參數(shù) pK變化時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng) 由圖 412 中的各圖得知，pk越大，系統(tǒng)響應(yīng) 速度越快，可減小系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間；磁懸浮小球的 PID 控制 28 但是在接近穩(wěn)態(tài)區(qū)域時(shí)，如果pk選擇過大，會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間有過大的超調(diào)，甚至可能帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 圖 功放模塊框圖 拖入 相應(yīng)的模塊，如示波器模塊、階躍信號(hào)模塊等等，進(jìn)行連線、仿真。 A、 B、 C、 D 為狀態(tài)空間方程中的相應(yīng)矩陣。 MATLAB 下數(shù)學(xué)模型的建立 下面是磁懸浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型在 MATLAB 下編程的實(shí)現(xiàn)： %實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)初始化 %%%%%%%%%%%%%% m=。 主要優(yōu)點(diǎn)有：語句書寫簡(jiǎn)單；功能強(qiáng)大；具有豐富的圖形用戶界面；界面友好；命令易設(shè)計(jì)；操作簡(jiǎn)單。其具體整定步驟如下 [14]： ?整定比例系數(shù) 先將 PID 控制器其中的 Kd 為 0， Ki為無窮，使之成為比例控制器，再將比例系數(shù)由小變大觀察相應(yīng)的響應(yīng)，使系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到 4： 1 衰減的響應(yīng)曲線，最優(yōu)比例系數(shù)由此確定。 T 為采樣周期，k為采樣序號(hào)， 1,2,k? ??，( 1)ek? 和 ()ek分別為第 ( 1)k? 和第 k 時(shí)刻所得的偏差信號(hào)。 第 3 章 控制器設(shè)計(jì) 15 PID 控制基礎(chǔ) PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給 定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。式 (32)缺少一次項(xiàng)（或 一次項(xiàng)系數(shù)等于零），由此可以得出如下兩個(gè)推論： 采用電流放大器的磁懸浮系統(tǒng)如果不施加控制，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的； 采用電流放大器的磁懸浮控制系統(tǒng)必須包含一次項(xiàng)，即控制系統(tǒng)必須含有微分控制環(huán)節(jié)。由 LED 光源和傳感器組成的測(cè)量裝置檢測(cè)鋼球與電磁鐵之間的距離變化，當(dāng)鋼球受到擾動(dòng)下降，鋼球與電磁鐵之間的距離增大，傳感器感受到光強(qiáng)的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化信號(hào)，經(jīng)（數(shù)字或模擬）控制器調(diào)節(jié)、功率放大器放大處理后，使電磁鐵控制繞組中的控 制電流相應(yīng)增大，電磁力增大，鋼球被吸回平衡位置。它是一個(gè)典型的吸浮式懸浮系統(tǒng)。辨識(shí)和狀態(tài)估計(jì)離不開控制理論的支持，實(shí)際的控 制系統(tǒng)離不開被控系統(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。磁懸 浮電機(jī)的研究越來越受到重視，并有一些成功的報(bào)道。磁懸浮軸承有著一般傳統(tǒng)軸承和支撐技術(shù)所無法比擬的優(yōu)越性，并且已取得工業(yè)的廣泛應(yīng)用。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，帶來了磁懸浮控制系統(tǒng)向智能化方向的快速發(fā)展。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。磁懸浮的作用是利用磁場(chǎng)力使某一物體沿著或繞著某一基準(zhǔn)框架的一軸或幾軸保持固定位置 [1]。但是，在低速時(shí)由于得不到足夠的懸浮力，限制了磁懸浮小球的 PID 控制 2 這種方式的廣泛應(yīng)用。國(guó)外自 90 年代中期開始對(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) [7]。鑒于智能控制器的眾多多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都開始了磁懸浮系統(tǒng)智能控制器的設(shè)計(jì)，現(xiàn)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了模糊控制器的設(shè)計(jì)并已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。本課題研究的目的在于通過對(duì)磁懸浮控制系統(tǒng)研究，如果研究成功可以將其控制原理推廣到多自由度磁懸浮控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多自由度磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)字控制。 磁懸浮系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)?？刂破鞣桨钢饕须娏骺刂坪碗妷嚎刂苾煞N方式 [16]。 現(xiàn)階段， PID 控制仍然是首選的控制策略之一。數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)可以通過首先用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)出性能比較滿意的模擬調(diào)節(jié)器，然后通過離散化方 法得到。 ?微分作用系數(shù) Kd 的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其作用主要是在系統(tǒng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行響應(yīng)。 其主要功能有：工程計(jì)算；算法開發(fā)；系統(tǒng)建模；仿真和實(shí)時(shí)應(yīng)用；信號(hào)處理與可視化；圖形用戶界面。用戶可以需要快速修改模型，對(duì)比實(shí)驗(yàn) 各種方案，可通過 Simulink 菜單或在 MATLAB 命令窗口輸入命令，任意改變仿真參數(shù)，可采用Scope 或其他的畫圖模塊對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行可視化分析。 C=[1 0 0]。 圖 傳感放大的傳遞函數(shù) 磁懸浮小球的 PID 控制 24 建立 PID 控制器子系統(tǒng)，在這里我們把 PID 控制器封裝成為一個(gè)模塊，與外部的接口為 pK、iK、 dK三個(gè)參數(shù)。 1 .3。 1 0。 k d = 1t /sy (d)1。而控制器的核心是控制算法及其實(shí)現(xiàn)。我的論文是在趙志誠(chéng)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。 圖 PID 參數(shù)設(shè)置 輸入?yún)?shù)到 PID 控制器，點(diǎn)擊“ OK”保存參數(shù)。 0 .0 0 1p i dK K K? ? ? 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1000 . 20 . 40 . 60 . 811 . 21 . 41 . 61 . 8k p = 1 。 。 第 4 章 基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)仿真 25 圖 磁懸浮試驗(yàn)系統(tǒng)仿真框圖 磁懸浮小球的 PID 控制 26 系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖 所示，這里所用的參數(shù)為1, , i dK K K? ? ?，與系統(tǒng)實(shí)際起控參數(shù)基本相同。 圖 系統(tǒng)開環(huán)階躍仿真框圖 磁懸浮小球的 PID 控制 22 圖 系統(tǒng)開環(huán)階躍響應(yīng)仿真圖 閉環(huán)系統(tǒng)仿真 在 Simulink 中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制進(jìn)行如圖 所示仿真，對(duì)系統(tǒng)給定一個(gè)單位階躍信號(hào)，得系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖所示是發(fā)散不穩(wěn)定的。 L=。 Simulink 猶如一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)室，它可對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中存在的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)：線性、非線性、連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)的仿真和分析。 ?加入微分環(huán)節(jié) 經(jīng)上兩步調(diào)整后，若系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能不能讓人滿意，可以加入積分環(huán)節(jié)，構(gòu)成 PID控制器。 PID 控制參數(shù)整定方法與步驟 PID 控制算法參數(shù)的整定就是選擇 Kp、 Kd、 Ki 幾個(gè)參數(shù)，使相應(yīng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)滿足幾個(gè)性能指示。 比例系數(shù) pK主要影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可以得出如下推論： 采用電壓放大器的磁懸浮系統(tǒng)不施加控制，系統(tǒng)也有可能穩(wěn)定。由電渦流位移傳感器檢測(cè)鋼球與電磁鐵之間的距離 ??xt變化，當(dāng)鋼球受到擾動(dòng)下降，鋼球與電磁鐵之間的距離 ??xt增大，傳感器輸出電壓增大，經(jīng)控制器計(jì)算、功率放大器放大處理后，使電磁鐵繞組中的控制電流相應(yīng)增大，電磁力增大，鋼球被吸回平衡位置，反之亦然。系統(tǒng)組成框圖見圖 。 傳統(tǒng)的模擬控制器雖然具有成本低、速度快、性能穩(wěn)定、對(duì)控制算法適應(yīng)良好等優(yōu)點(diǎn)，但存在著參數(shù)調(diào)整不太方便，硬件結(jié)構(gòu)不易改變等缺點(diǎn)，難以滿足用戶日益增高的要求。 磁懸浮的控制方法和發(fā)展趨勢(shì) 磁懸浮從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度可以分為三類，即主動(dòng)式、被動(dòng)式與混合式磁懸浮技術(shù)[8]。 1969年，德國(guó)牽引機(jī)車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車系統(tǒng)模型，以后命名為 TR01型，該車在 1km 軌道上時(shí)速達(dá)到 165km，這事磁懸浮列車發(fā)展的第一個(gè)里程碑。 磁懸浮的分類及應(yīng)用前景 磁懸浮可分為以下 3 種主要應(yīng)用方式 [2]： ①電磁吸引控制懸浮方式 這種控制方式利用了導(dǎo) 磁材料與電磁鐵之間的引力，絕大部分磁懸浮技術(shù)采用這種方式。 ：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。 關(guān)鍵 詞 ： 磁懸浮系統(tǒng)； PID 控制器； MATLAB 仿真 Abstract Based on magic levitation ball system, we designed a PID controller which can control magic levitation ball. On the basis of analyzing the magic suspension system structure and working principle, established a mathematical model of magic suspension ball control system and designed a PID controller. Using MATLAB to simulate and control the magic suspension ball control system timely, and get better control parameters. The result shows that the proposed method is effective. Key words： Magic suspension system。 ③感應(yīng)斥力方式 這種控制方式利用了磁鐵或勵(lì)磁線圈和短路線圈之間的斥力，簡(jiǎn)稱感應(yīng)斥力方式。 1995 年，我國(guó)第一條磁懸浮實(shí)驗(yàn)線在西南交通大學(xué)建成，并且成功進(jìn)行了穩(wěn)定懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)控制和載人運(yùn)行等時(shí)速為 300km 的實(shí)驗(yàn)。 傳統(tǒng)的工業(yè)控制較多采用應(yīng)用成熟的 PID 控制器，通過對(duì)參數(shù)的選取，還可構(gòu)成 PI、 PD 控制器， PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，應(yīng)用成熟，但是在高精度的磁懸浮技術(shù)中，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和磁場(chǎng)本身的非線性使得傳統(tǒng)的 PID 控制器不能完全滿足工程需要。通過多任務(wù)編程，能實(shí)時(shí)改變控制參數(shù)和控制算法，第 1 章 引 言 5 實(shí)時(shí)監(jiān)控控制器的輸入、輸出和內(nèi)部變量； （ 3）數(shù)據(jù)采集卡不需自己開發(fā)，價(jià)格便宜，硬件平臺(tái)構(gòu)建方便； （ 4）便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程，可通過局域網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控； （ 5）運(yùn)算速度及實(shí)時(shí)性隨著 PC 機(jī)的升級(jí)而自然升級(jí)，成本低，性能提升迅速。 。 電磁鐵系統(tǒng)物理參數(shù) 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際 的模型參數(shù)如表 所示 。本文為了得到比較精確些的數(shù)學(xué)模型，易于實(shí)現(xiàn)電壓功率放大器，方便快速原型建模，就采用電壓控制方式對(duì)磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行控制。因?yàn)槲⒎肿饔弥饕琼憫?yīng)系統(tǒng)誤差變化速率的，它主要是在系統(tǒng)響應(yīng)過程中當(dāng)誤差向某個(gè)方向變化時(shí)起制動(dòng)作用，提前預(yù)報(bào)誤差的變化方向，能有效地減小超調(diào) [17]。 Kp 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但是容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定； Kp 的值過小，將使系統(tǒng)的靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。開發(fā)一種低成本、高效率、易開發(fā)、易維護(hù)的控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)便成為迫切的需要。 Simulink猶如一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)室，它可對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中存在的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)：線性、非線性、連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)的仿真和分析 [16]。 B=[0。作為一種線性控制器，它根據(jù)設(shè)定值 ()yt和實(shí)際輸出值 ()yt的偏差 ()et，通過 PID 線性組合構(gòu)成控制量 ()ut，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 0 .1p i dK K K? ? ? 第 4 章 基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)仿真 27 （ b）1 .5 。 i dK K K? ? ? 第 4