《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MATLAB的磁懸浮球系統(tǒng)PID控制器設(shè)計與實現(xiàn)
來源:微型機與應(yīng)用2013年第22期
陳亞棟,高文華,張井崗,劉 鑫
(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,山西 太原030024)
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。
Abstract:
Key words :

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?。∕agnetic 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(biāo)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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[2] 張占軍,林小玲.磁懸浮球系統(tǒng)控制器的分析與設(shè)計[J].機電工程,2007,24(1):19-21.
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[4] 薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.
[5] Real-Time Windows Target Useer’s Guide[Z].The MathWorks Inc,2002.

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