磁悬浮小球的PID控制

模型，再根据此模型设计控制器，但这样的控制方法并不能完全达到工程需要，有学者采用非线性状态反馈线性化的方法进行控制器的设计，国外有学者通过简化非线性电磁力学方程设计非线性控制器，并通过试验验证了控制器的可行性。

②智能控制系统：智能控制器具有在线学习、修正的能力，它可以根据系统获取的信息来分析系统特性，从而使系统性能达到预期要求[10]。鉴于智能控制器的众多多优点，国内外很多学者都开始了磁悬浮系统智能控制器的设计，现阶段已经实现了模糊控制器的设计并已经在实验中得到了验证。

③系统辨识：系统辨识是在输入输出观测值的基础上，在指定的一类系统中，确定一个与被识别系统等价的系统。辨识、状态估计和控制理论是现代控制理论三个相互渗透的领域。辨识和状态估计离不开控制理论的支持，实际的控制系统离不开被控系统的数学模型，但实际的被控系统往往都是未知的，并且建立复杂的被控对象的精确的数学模型一般是很难做到的。近年来，神经网络辨识，模糊逻辑理论，在非线性系统辨识中的应用以及在基础理论方面的研究工作，使得有关磁悬浮系统的辨识研究也逐渐深入，但由于磁悬浮的系统的实时性要求较高，系统辨识一般需要耗费大量的计算时间，目前在磁悬浮系统的辨识研究还没有应用于实际控制系统中。

1.5 课题的提出和意义

随着控制理论的发展以及对磁悬浮系统性能要求的不断提高，磁悬浮系统控制器需要实现的控制算法的复杂程度日渐加大。传统的模拟控制器虽然具有成本低、速度快、性能稳定、对控制算法适应良好等优点，但存在着参数调整不太方便，硬件结构不易改变等缺点，难以满足用户日益增高的要求。于是数字控制成为磁悬浮系统控制的主流趋势。

在磁悬浮系统控制中，普遍采用了基于DSP构建的数控平台。此平台难以克服其硬件成本高、开发周期长、延续性差、对用户软件、硬件能力要求高等缺点。开发一种低成本、高效率、易开发、易维护的控制器实验平台便成为迫切的需要。计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径，PC机作为控制器的试验平台有许多优势：

（1）程序具有移植性，不依赖于硬件。软件的可重用性好，后续的开发不必从头开始；

（2）能在图形界面下开发，充分利用PC机的开发优势，有强大的实时操作系统支持，可轻松实现多任务调度。通过多任务编程，能实时改变控制参数和控制算法，

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第1章 引 言

实时监控控制器的输入、输出和内部变量；

（3）数据采集卡不需自己开发，价格便宜，硬件平台构建方便； （4）便于实现网络编程，可通过局域网进行远程监控；

（5）运算速度及实时性随着PC机的升级而自然升级，成本低，性能提升迅速。 当然，PC机平台在体积及稳定性方面比DSP平台有其劣势，但是就研究阶段作为控制器试验平台而言，它无疑是比DSP平台更好的选择。选择MATLAB软件控制，免去了对DSP的硬件需求，从而降低了成本，且使用方便，人机界面友好。本课题研究的目的在于通过对磁悬浮控制系统研究，如果研究成功可以将其控制原理推广到多自由度磁悬浮控制系统，可以实现多自由度磁悬浮系统的数字控制。

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磁悬浮小球的PID控制

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第2章 磁悬浮系统的结构与建模

第2章 磁悬浮系统的结构与建模

2.1 磁悬浮系统的基本结构

本文所使用的磁悬浮实验装置系统，是由固高科技有限公司所生产的磁悬浮实验装置GML1001。此磁悬浮实验装置由LED光源、电磁铁、光电传感器、功放模块、模拟量控制模块、数据采集卡和被控对象(钢球)等元器件组成，其结构简单，实验控制效果直观明了，极富有趣味性。它是一个典型的吸浮式悬浮系统。此系统可以分为磁悬浮实验本体、电控箱及由数据采集卡和普通PC机组成的控制平台等三大部分错误！

未找到引用源。

。系统组成框图见图 2.1。

给定值+-测量值传感器偏差PID控制器控制信号执行器控制量被控对象（过程）被控参数

图2.1 磁悬浮实验系统框图

2.1.1 磁悬浮实验本体

磁悬浮实验本体见图2.2。

图2.2 磁悬浮实验本体

电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力,控制电磁铁绕组中的电流,使之产生的电磁力与钢球的重量相平衡，钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。但是这种平

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磁悬浮小球的PID控制

衡状态是一种不稳定平衡。此系统是一开环不稳定系统。主要有以下几个部分组成

[11]

：箱体、电磁铁、传感器、激光发生器、悬浮体。

2.1.2 磁悬浮实验电控箱

电控箱内安装有如下主要部件：直流线性电源、传感器后处理模块、电磁铁驱动模块、空气开关、接触器、开关、指示灯等电气元件错误！未找到引用源。。磁悬浮实验电控箱见图2.3。

图2.3 磁悬浮实验电控箱

2.1.3 磁悬浮实验平台

与IBM PC/AT机兼容的PC机（公司不提供），带PCI总线插槽，PCI1711数据采集卡及其驱动程序演示实验软件。

磁悬浮系统是一个典型的非线性开环不稳定系统。电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力，控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与钢球的重力相平衡，钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态[12]。但是这种平衡状态是一种开环不稳定的平衡，这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力大小与它们之间的距离的平方成反比，只要平衡状态稍微受到扰动（如：加在电磁铁线圈上的电压产生脉动、周围的震动等），就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住，不能稳定悬浮，因此必须对系统实现闭环控制。由LED光源和传感器组成的测量装置检测钢球与电磁铁之间的距离变化，当钢球受到扰动下降，钢球与电磁铁之间的距离增大，传感器感受到光强的变化而产生相应的变化信号，经（数字或模拟）控制器调节、功率放大器放大处理后，使电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大，电磁力增大，钢球被吸回平衡位置。

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