磁懸浮小球控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、 磁 懸 浮 小 球 控 制 系 統(tǒng) 軟 件 設(shè) 計(jì)摘 要 磁懸浮技術(shù)具有無摩擦、無磨損、無需潤滑以及壽命較長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在能源、交通、航空航天、機(jī)械工業(yè)和生命科學(xué)等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用背景。隨著磁懸浮技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的控制已成為首要問題。本設(shè)計(jì)以pid控制為原理，設(shè)計(jì)出pid控制器對(duì)磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行控制。在分析磁懸浮系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理的基礎(chǔ)上，建立磁懸浮控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并以此為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了pid控制器，確定控制方案，運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行仿真，得出較好的控制參數(shù)，并對(duì)磁懸浮控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，驗(yàn)證控制參數(shù)。最后，本設(shè)計(jì)對(duì)以后研究工作的重點(diǎn)進(jìn)行了思考，提出了自己的見

2、解。pid控制器自產(chǎn)生以來，一直是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣、也是最成熟的控制器。目前大多數(shù)工業(yè)控制器都是pid控制器或其改進(jìn)型。盡管在控制領(lǐng)域，各種新型控制器不斷涌現(xiàn)，但pid控制器還是以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，處于主導(dǎo)地位。關(guān)鍵字：磁懸浮系統(tǒng)，pid控制器，matlab仿真 abstractmagnetic suspension technology, which has a series of advantages such as contact-free, no friction, no wear, no need of lubrication and long life ex

3、pectancy, is widely concerned and adopted in high-tech areas such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life sciencewith the extensive application of maglev technology, the control of the maglev system has become a priority. in this paper, for the principle of pid control, p

4、id controller designed to control magnetic suspension system.on the basis of analyzing of magnetic suspension systems structure and working principle, its system mathematical model was established, this thesis describe pid controller designed and get control scheme. it gets the better control parame

5、ters by matlab software simulation studies, and real-time control of magnetic suspension control system to verify the control parameters. the key research works for further study are proposed at lastsince pid controllers have been the process of industrial production has been most widely and most so

6、phisticated controller. most industrial controllers are pid controllers or modified. while in the control area, a variety of new controllers continue to emerge, but the pid controller is its simple structure, easy to implement, robust, etc., in a dominant position.key words: magnetic suspension syst

7、em; pid controller; matlab simulation 目 錄前 言1第1章 磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)91.1 系統(tǒng)組成91.2 磁懸浮實(shí)驗(yàn)本體9第2章 磁懸浮小球軟件設(shè)計(jì)112.1 整個(gè)程序組成112.2 顯示模塊122.3 ad/da轉(zhuǎn)換模塊10 2.3.1 ad轉(zhuǎn)換15 2.3.2 da轉(zhuǎn)換15 2.3.3 延時(shí)模塊16第3章 pid控制模塊的設(shè)計(jì)17 3.1 pid控制原理 17 3.2 pid控制的程序流程 18第4章 matlab仿真184.1 matlab作用 194.2 參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 19 結(jié) 論20參考文獻(xiàn)22致謝24附錄2538前 言課題的來源及研究意義磁

8、懸浮由于其無接觸的特點(diǎn)避免了物體之間的摩擦和磨損，能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，改善設(shè)備的運(yùn)行條件，因而在交通、冶金、機(jī)械、電器、材料等各個(gè)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。高速磁懸浮列車以其在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是21世紀(jì)的交通工具的發(fā)展方向，德國和同本等國家在這方面己經(jīng)取得了重要進(jìn)展，磁懸浮列車技術(shù)開始走向?qū)嵱秒A段。由于我國至今尚無客運(yùn)專線，高速客運(yùn)網(wǎng)的形成大約需半個(gè)世紀(jì)的持續(xù)努力，恰恰成為我們?cè)诮煌I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)跨越發(fā)展、發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)、后來居上的重要機(jī)遇；高速磁懸浮體系的發(fā)展將帶動(dòng)當(dāng)前眾多高新技術(shù)前沿的發(fā)展，這些高新技術(shù)本身又將為新興產(chǎn)業(yè)的形成和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的作用。磁懸浮系統(tǒng)是一個(gè)典型的

9、非線性系統(tǒng)，其非線性的特性是不可忽略的。然而當(dāng)前絕大多數(shù)磁懸浮控制器都是基于非線性磁懸浮系統(tǒng)在某個(gè)平衡點(diǎn)的線性化模型而設(shè)計(jì)的線性控制律。當(dāng)系統(tǒng)的平衡點(diǎn)改變時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)顯著改變，此時(shí)，線性控制律往往不能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。因此有必要基于磁懸浮系統(tǒng)的非線性模型設(shè)計(jì)控制律。無源性是基于耗散性的特例，是一種先進(jìn)的非線性控制方法，它從能量的角度來描述系統(tǒng)的輸入輸出，可以把一些數(shù)學(xué)工具與物理現(xiàn)象聯(lián)系起來，適用于很多控制問題，在機(jī)電系統(tǒng)，機(jī)器人等控制應(yīng)用方面和自適應(yīng)控制，非線性鞏控制等控制方法方面，已經(jīng)證實(shí)了無源性是一種有效的方法。本論文主要研究單自由度磁懸浮系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能評(píng)判相對(duì)

10、容易、可以縮短研究周期等特點(diǎn)。由于磁懸浮領(lǐng)域的相近性，多自由度磁懸浮系統(tǒng)可以吸收單自由度磁懸浮系統(tǒng)取得的很多有意義的研究成果，因此具有重要的意義。論文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行論述：l、介紹磁懸浮技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及其應(yīng)用前景，本論文選題的背景及研究的目的和意義。2、磁懸浮控制系統(tǒng)的物理分析及其數(shù)學(xué)模型的建立首先介紹單自由度磁懸浮系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，從力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和電磁學(xué)詳細(xì)分析了系統(tǒng)的線性和非線性模型，提出一種基于奇異攝動(dòng)法建立系統(tǒng)非線性模型的描述方法，從而為后文研究設(shè)計(jì)磁懸浮系統(tǒng)各種控制器的算法仿真打下了基礎(chǔ)。3、磁懸浮系統(tǒng)的pid控制和模糊控制研究首先分析傳統(tǒng)的pid控制器，針對(duì)pid控制

11、器對(duì)非線性磁懸浮系統(tǒng)控制的局限性，運(yùn)用模糊控制方法，設(shè)計(jì)一個(gè)二維模糊控制器，同時(shí)構(gòu)造一個(gè)積分環(huán)節(jié)以消除穩(wěn)態(tài)誤差；并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。4、磁懸浮系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)pid控制器設(shè)計(jì)根據(jù)磁懸浮系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)模型分析在matlab環(huán)境下建立磁懸浮的非線性系統(tǒng)模型。針對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的非線性，在基本模糊控制和常規(guī)pid控制的基礎(chǔ)上提出模糊自適應(yīng)pid控制策略。文中分析兩種模糊pid控制方法，一是磁懸浮系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)pid控制，二是微分環(huán)節(jié)改進(jìn)的模糊自適應(yīng)pid控制；在matlabsimulink下分別對(duì)其建立了仿真模型，并和傳統(tǒng)pid控制。三種控制方法相互進(jìn)行比較以驗(yàn)證出最佳控制方法。磁懸浮技術(shù)的研究現(xiàn)狀

12、 利用磁力使物體處于無接觸懸浮狀態(tài)的設(shè)想由來已久，但實(shí)現(xiàn)起來并不容易。早在1842年，恩休(eamshow)就證明：?jiǎn)慰坑谰么盆F是不能將一個(gè)電磁鐵在所有6個(gè)自由度上都保持在自由穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)的。要使得鐵磁體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁懸浮，必須根據(jù)物體的懸浮狀態(tài)不斷地調(diào)節(jié)磁場(chǎng)力的大小才能實(shí)現(xiàn)，也就是說應(yīng)當(dāng)采用可控電磁鐵。1937年德國科學(xué)家肯佩爾(kenper)提出這一思想，并申請(qǐng)了第一磁懸浮技術(shù)專利，這構(gòu)成了之后開展的磁懸浮列車和磁懸浮軸承研究的主導(dǎo)思想。1939年，布魯貝克(braunbeck)對(duì)磁懸浮進(jìn)行了嚴(yán)格的理論證明。以后的研究又證明，如果最小有一階自由度受外部機(jī)械約束的話，強(qiáng)磁性物體可以用磁力懸浮

13、于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。至此，磁懸浮理論已經(jīng)發(fā)展得較為完善。磁懸浮由于其無接觸的特點(diǎn)避免了物體之間的摩擦和磨損，能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，改善設(shè)備的運(yùn)行條件，因而在交通、冶金、機(jī)械、電器、材料等以下各個(gè)方面有著廣闊的應(yīng)用：l、磁懸浮列車目前國外在磁懸浮方面的研究工作主要集中在磁懸浮列車方面進(jìn)展最快，已從實(shí)驗(yàn)研究階段轉(zhuǎn)向試驗(yàn)運(yùn)行階段。目前德國和同本仍在繼續(xù)進(jìn)行磁懸浮系統(tǒng)的研究，并均取得了令世人矚目的進(jìn)展。在同本，已建成多條常導(dǎo)和超導(dǎo)型試驗(yàn)線路其中大江試驗(yàn)線長(zhǎng)153km，hsst-100低速磁懸浮列車于1991年1月開始在該線上進(jìn)行了為期2年的系統(tǒng)測(cè)試和評(píng)估，取得了令人滿意的結(jié)果。1997年4月3日建成的山梨

14、試驗(yàn)線長(zhǎng)184km，從1997年4月開始進(jìn)行高速磁懸浮列車的試驗(yàn)運(yùn)行，試驗(yàn)速度己超過550kmh。德國的埃姆斯蘭特試驗(yàn)線長(zhǎng)31.5 km，研制成功tr07型時(shí)速450 kmh的磁懸浮列車。在取得一系列研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，1990年日本開始建造速度為550kmh、長(zhǎng)482km的超導(dǎo)磁懸浮列車線路。德國則在2005年建成柏林與漢堡之問284km的常導(dǎo)型磁懸浮列車幣式運(yùn)營線路，其速度為420kmh。英國早在80年代中期就己建成從伯明翰機(jī)場(chǎng)到市區(qū)的低速常導(dǎo)型磁懸浮列車實(shí)用線路。同本研制的高速磁懸浮列車，在實(shí)驗(yàn)階段己創(chuàng)出磁懸浮列車的最高速度517kmh。此外法國、美國、加拿大等國也在這方面進(jìn)行了眾多項(xiàng)目的

15、研制和開發(fā)。 高速磁懸浮列車因其在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是21世紀(jì)最理想的交通工具。在我國，浦東機(jī)場(chǎng)至上海市區(qū)33公里的磁懸浮試驗(yàn)段已經(jīng)建成2002年12月21日，上海磁懸浮列車開始通車；2003年元旦，上海磁浮列車正式投入商業(yè)運(yùn)行，被稱為“商業(yè)運(yùn)營中最快的列車”和“世界上第一列商用磁懸浮列車”，并被收錄到吉尼斯世界大全。上海磁浮列車示范線的順利運(yùn)行，對(duì)我國乃至世界的磁浮列車事業(yè)都產(chǎn)生了極大的促進(jìn)作用，這對(duì)于加快我國現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程，促進(jìn)我國軌道交通及相關(guān)產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展具有非常重要的意義。2、磁懸浮軸承磁懸浮軸承的研究是國外非?；钴S的研究方向，典型對(duì)象是發(fā)電機(jī)的磁懸浮軸承(又稱磁力

16、軸承)。主動(dòng)式磁懸浮軸承(amb)以其無機(jī)械磨損、無噪聲、壽命長(zhǎng)、無潤滑油污染等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空、航天、核反應(yīng)堆、真空泵、超潔凈環(huán)境、飛輪儲(chǔ)能等場(chǎng)合。目前磁力軸承的速度已達(dá)80000轉(zhuǎn)分，轉(zhuǎn)子直徑可達(dá)12米，最大承載力為10噸。我國在這方面研究起步較晚113-151。1980年清華大學(xué)開始定性研究，1986年哈爾濱工業(yè)大學(xué)開始研制五維主動(dòng)式磁力軸承，并獲國家自然科學(xué)基金資助，1990年成功地實(shí)現(xiàn)了靜、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定懸浮。目前國內(nèi)還沒有一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子，原因是磁力軸承是集多學(xué)科為一體的高科技產(chǎn)品，有許多理論和技術(shù)問題尚待解決。3、高速磁懸浮電機(jī)高速磁懸浮電機(jī)(bearing less motor

17、s)是近年提出的一個(gè)新研究方向10all，它集磁懸浮軸承和電動(dòng)機(jī)于一體，具有自懸浮和驅(qū)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)。國外自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)。其中感應(yīng)型磁懸浮電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，氣隙均勻，易于弱磁升速，是最有前途的方案之一。傳統(tǒng)的電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子與轉(zhuǎn)子之間通過機(jī)械軸承連接，在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中存在機(jī)械摩擦，增加了轉(zhuǎn)子的摩擦阻力，使得運(yùn)動(dòng)部件磨損，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲，使運(yùn)動(dòng)部件發(fā)熱，潤滑劑性能

18、變差，嚴(yán)重的會(huì)使電機(jī)氣隙不均勻，繞組發(fā)熱，溫升增大，從而降低電機(jī)效能，最終縮短電機(jī)使用壽命。磁懸浮電機(jī)利用定子和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)問“同性相斥，異性相吸”的原理使轉(zhuǎn)子懸浮起來，同時(shí)產(chǎn)生推進(jìn)力驅(qū)使轉(zhuǎn)子在懸浮狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)。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。如磁懸浮電機(jī)應(yīng)用在生命科學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)在國外已研制成功的離心式和振動(dòng)式磁：懸浮人工心臟血泵，采用無機(jī)械接觸式磁懸浮結(jié)構(gòu)不僅效率高，而且可以防止血細(xì)胞破損，引起溶血、凝ifil和血栓等問題。磁懸浮血泵的研究不僅為解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活質(zhì)量，而且為人類延續(xù)生命具有深遠(yuǎn)意義。 在我國，磁懸浮技術(shù)的研究是從80年代初開始的，目前己掌握

19、了磁懸浮列車技術(shù)。進(jìn)行高速磁懸浮列車這類課題的研究耗資巨大，在目前國內(nèi)情況下不能采取國外以試驗(yàn)為主的研究方法，主要從理論上進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，為我國實(shí)際應(yīng)用磁懸浮技術(shù)提供理淪依據(jù)。進(jìn)行磁懸浮其它應(yīng)用技術(shù)的研究，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)科間的交叉、滲透，推動(dòng)磁懸浮高技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用，因此具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。磁懸浮控制方法及發(fā)展趨勢(shì) 在磁懸浮的許多實(shí)際應(yīng)用中，都要求磁懸浮系統(tǒng)的懸浮氣隙有較大的工作范圍。但由于磁懸浮力電流氣隙之間的非線性特性，系統(tǒng)模型開環(huán)不穩(wěn)定。至少需要輸出反饋進(jìn)行閉壞控制，才能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定懸浮。為了設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的懸浮控制器，基于磁懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制問題受到了

20、廣泛而又深入的研究。 傳統(tǒng)工業(yè)控制中多采用成熟的pid控制調(diào)節(jié)器，其中比例環(huán)節(jié)可以加快系統(tǒng)反應(yīng)速度，積分環(huán)節(jié)可以消除靜差，調(diào)節(jié)系統(tǒng)剛度；微分環(huán)節(jié)可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼特性，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。pid調(diào)節(jié)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)場(chǎng)合，工況的復(fù)雜性和磁場(chǎng)本身的非線性使得傳統(tǒng)pid控制器難以滿足工程需要。對(duì)磁懸浮模型的穩(wěn)定控制通常是將非線性磁懸浮模型在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行泰勒展開，忽略高階項(xiàng)以后，便得到一階線性化模型。這種線性化模型在磁懸浮控制中得到了廣泛應(yīng)用，并已在工程上驗(yàn)證了它的實(shí)用價(jià)值，但使用這種線性化方法設(shè)計(jì)的控制策略也有其局限性。由于線性化模型是在平衡點(diǎn)附近得到的，當(dāng)系

21、統(tǒng)的平衡點(diǎn)改變時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)顯著改變，控制策略將迅速惡化，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。此時(shí)，線性控制律往往不能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。為此需要更加先進(jìn)的控制方法。 近年來，隨著工業(yè)水平的提高，很多先進(jìn)控制方法涌現(xiàn)于自動(dòng)化領(lǐng)域。l、智能控制智能控制方法是指基于在線學(xué)習(xí)和辨識(shí)的控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，此類方法的特點(diǎn)是被控系統(tǒng)可當(dāng)作“黑箱來處理，不需要任何有關(guān)的先驗(yàn)知識(shí)，控制器可根據(jù)輸出響應(yīng)來學(xué)習(xí)系統(tǒng)特性并根據(jù)需要對(duì)控制參數(shù)實(shí)施在線調(diào)節(jié)。此類方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠克服磁浮非線性和外界干擾給系統(tǒng)造成的影響。然而，智能控制系統(tǒng)本身具有復(fù)雜性，尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，并未得到成熟的工程運(yùn)用。2、系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)就是

22、利用系統(tǒng)觀測(cè)到的信息，構(gòu)造系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的理論和方法。它涉及到的理論基礎(chǔ)相當(dāng)廣泛，對(duì)于單變量線性系統(tǒng)，已經(jīng)有一系列成功的理論和辨識(shí)方法，多變量系統(tǒng)中的研究還尚未成熟。然而，在單變量系統(tǒng)中與傳統(tǒng)的控制方法相比并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。3、魯棒控制魯棒控制的基本原理是選擇合適的控制規(guī)律使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，并且對(duì)模型攝動(dòng)和外界干擾有很好的抑制能力，不依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型。目前很受關(guān)注的魯棒控制方法有h控制，變結(jié)構(gòu)控制，自適應(yīng)魯棒控制，它可以避免磁：懸浮系統(tǒng)中的建模誤差這一缺點(diǎn)，應(yīng)用己只益成熟。4、非線性控制非線性控制是復(fù)雜控制系統(tǒng)理論中一個(gè)熏要的基本問題，也是控制領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，很多復(fù)雜控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)是大范

23、圍的或系統(tǒng)本質(zhì)上屬于非線性系統(tǒng)，不能用線性系統(tǒng)來描述，只能用非線性微分方程來描述，用幾何方法描述非線性控制系統(tǒng)在某些工程應(yīng)用中取得了很大的成功。直接應(yīng)用非線性控制理論對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行魯棒控制的一種很好方法是耗散方法。耗散理論提出了一種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的思想，它從能量的角度來描述系統(tǒng)的輸入輸出。耗散理論可以把一些數(shù)學(xué)工具與物理現(xiàn)象聯(lián)系起來，適用于很多控制問題，在機(jī)電系統(tǒng)，機(jī)器人等控制應(yīng)用方面和自適應(yīng)控制，非線性以控制等控制方法方面，已經(jīng)證實(shí)了耗散是一種有效的方法。 隨著控制方法的進(jìn)步和系統(tǒng)要求的提高，控制手段應(yīng)該在滿足需求的同時(shí)，向提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的方向發(fā)展，磁懸浮系統(tǒng)中先進(jìn)控制

24、方法的研究無疑成為磁懸浮領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。第1 章 磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1 系統(tǒng)組成本設(shè)計(jì)所使用的磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置由電磁鐵、接近開關(guān)、功放模塊、ad/da轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊和被控對(duì)象(鋼球)等元器件組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)控制效果直觀明了，極富有趣味性。它是一個(gè)典型的吸浮式懸浮系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以分為磁懸浮實(shí)驗(yàn)本體、及由ad/da采集和單片機(jī)機(jī)組成的控制平臺(tái)等三大部分。系統(tǒng)組成主要由所需設(shè)計(jì)的pid控制器，以電磁鐵為執(zhí)行器，小球位置傳感器和被控對(duì)象鋼球組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 磁懸浮控制系統(tǒng)框圖1.2 磁懸浮實(shí)驗(yàn)本體電磁鐵繞組中通以一定的電流或者加上一定的電壓會(huì)產(chǎn)生電磁力，控制電磁鐵繞組中的電流

25、或者繞組兩端的電壓，使之產(chǎn)生的電磁力與鋼球的重量相平衡，鋼球就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。但是這種平衡狀態(tài)是一種不穩(wěn)定平衡。此系統(tǒng)是一開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。主要有以下幾個(gè)部分組成：控制器、電磁鐵、傳感器、電源、懸浮體。磁懸浮實(shí)驗(yàn)本體見圖2圖2 磁懸浮實(shí)驗(yàn)本體1.3 磁懸浮系統(tǒng)的工作原理磁懸浮控制系統(tǒng)由鐵心、線圈、光位移傳感器、控制器、功率放大器和被控對(duì)象(鋼球)等元器件組成。它是一個(gè)典型的吸浮式懸浮系統(tǒng)。系統(tǒng)開環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。電磁鐵繞組中通以一定的電流會(huì)產(chǎn)生電磁力，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相平衡，鋼球就可以懸浮于空中而處于平衡狀態(tài)。但是這種平衡是一種不穩(wěn)定平衡，這是由

26、于電磁鐵與鋼球之間的電磁力的大小與它們之間的距離成反比，只要平衡狀態(tài)稍微受到擾動(dòng)(如：加在電磁鐵線圈上的電壓產(chǎn)生脈動(dòng)、周圍的振動(dòng)、風(fēng)等)，就會(huì)導(dǎo)致鋼球掉下來或被電磁鐵吸住，因此必須對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由電渦流位移傳感器檢測(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。 第2章磁懸浮小球軟件設(shè)計(jì)2.1整個(gè)程序組成整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下功能：位置傳感器檢測(cè)小球的位移（電壓）信號(hào)，位移信號(hào)通過lcd12864顯示，同時(shí)ad/da芯片pcf859

27、1將位移信號(hào)讀進(jìn)其中的一路ad中，轉(zhuǎn)化而來的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，并通過pid算法比較計(jì)算出執(zhí)行器（電磁鐵）應(yīng)該的變化量（數(shù)字量），然后這些變化量送入da入口，然后da出口的模擬量值經(jīng)過功率放大器放大之后給執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制。整個(gè)程序流程圖如下：定義全局變量總線啟動(dòng) 系統(tǒng)復(fù)位主程序主循環(huán)調(diào)用延遲程序調(diào)用總線程序pid數(shù)模模數(shù)顯示2.2顯示程序模塊 顯示模塊用的是一塊lcd12864，目的是將反饋回來的信息以及執(zhí)行器執(zhí)行的信息顯示。相關(guān)程序流程圖如下： 功能設(shè)定初始化指針指向數(shù)組首地址關(guān)顯示指令清屏寫數(shù)據(jù)程序?qū)憯?shù)據(jù)關(guān)顯示指令 清屏 圖4初始化子程序流程圖圖 3 lcd顯示主程序流程圖

28、讀狀態(tài)指令設(shè)置rs和 r/w狀態(tài) 使能判忙使能有效 把p10設(shè)置狀態(tài)為讀入送數(shù)據(jù)指令關(guān)閉使能信號(hào) 使能信號(hào)開 判斷屏幕是否忙使能信號(hào)關(guān)是寫數(shù)據(jù)指令循環(huán)等待 圖 6 送數(shù)據(jù)子程序流程圖將數(shù)據(jù)寫入p10口 使能信號(hào)關(guān)閉圖5 寫指令子程序流程圖 整個(gè)顯示程序的流程圖如下所示：開始設(shè)置io口 調(diào)用液晶開機(jī)顯示程序設(shè)置液晶工作模式進(jìn)入 while(1)工作循環(huán)是否有按鍵按下否是判斷按鍵功能lcd顯示2.3 ad/da轉(zhuǎn)換模塊此模塊用到的硬件為一個(gè)pcf8591芯片，pcf8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bit cmos數(shù)據(jù)獲取器件。pcf8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行i2

29、c總線接口。pcf8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、4路8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和1路8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。2.3.1 ad轉(zhuǎn)換芯片中的4路ad中只用1路用來信息采集，其余3路用來連接手動(dòng)pid控制，其對(duì)應(yīng)程序流程圖如下： 開始pcf8591開始通道0采樣等待a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示采樣值 2.3.2 da轉(zhuǎn)換芯片中有1路da，主要是將pid運(yùn)算而來的數(shù)字量轉(zhuǎn)化后給執(zhí)行器，其程序流程圖如下： 開始啟動(dòng)pcf8591輸入數(shù)字量輸出對(duì)應(yīng)模擬量數(shù)據(jù)給執(zhí)行器2.3.3 延時(shí)模塊定義變量延時(shí)模塊主要用于消除干擾，常用于按鍵掃描等。其原理就是讓單片機(jī)執(zhí)行一系列空的機(jī)器周期，從而達(dá)到延時(shí)。其一般的程序流程如下

30、所示：延時(shí)時(shí)間計(jì)算函數(shù)for 循環(huán)調(diào)用計(jì)算函數(shù)結(jié)束 此外，還有總線啟動(dòng)程序和總線關(guān)閉程序，用于液晶顯示的控制以及pcf8591的控制。第3章 pid控制模塊的設(shè)計(jì)3.1 pid控制原理 pid控制器是一種線性控制器，是比例（proportional） ，積分（integrating） ，微分（differentiation）的線性組合。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。pid控制的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)學(xué)表達(dá)：upkp*error（k）uiuiki*error（k）udkd*（error(k)-error

31、(k-1)）u=up+ui+ud3.2 pid控制的程序流程pid的程序流程圖如下所示：開始讀入a/d轉(zhuǎn)換值本次偏差=期望值-采樣a/d值本次偏差與上次積分符號(hào)相同否n積分=上次積分+本次偏差微分=本次偏差-上次偏差y上次積分清0調(diào)整量=偏差xkp+微分xkd+積分xki調(diào)整量賦值給執(zhí)行器結(jié)束 其中，pid的三個(gè)參數(shù)kp、ki、kd,是由matlab仿真整定得到的，詳細(xì)的方法，將在下一章節(jié)介紹。第4章 matlab仿真4.1 matlab作用 過程控制系統(tǒng)通常是對(duì)一些過程變量(溫度、壓力等)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。最優(yōu)化設(shè)計(jì)是指通過理論和優(yōu)化方法，計(jì)算機(jī)從許多的可行方案中，按目標(biāo)函數(shù)的要求自動(dòng)尋出最優(yōu)的方

32、案后。對(duì)設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)在各種信號(hào)和擾動(dòng)作用下進(jìn)行響應(yīng)測(cè)試，若系統(tǒng)性能指標(biāo)不能令人滿意，則再選定控制方案，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，直到獲得滿意的性能指標(biāo)。借助matlab軟件，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)中的單純形法，提出一種過程控制系統(tǒng)pid參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。matlab語句功能強(qiáng)大，一條語句相當(dāng)于其它高級(jí)語句的幾十條以至幾百條以上，書寫簡(jiǎn)便。它具有豐富的圖形功能，可進(jìn)行性能分析，提供了許多面向應(yīng)用問題求解的工具箱函數(shù)，如最優(yōu)化工具箱就提供了便利函數(shù)，使系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)便。matlab附帶的軟件simulink，是對(duì)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的交互式系統(tǒng)，可利用方框圖構(gòu)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，然后采用動(dòng)態(tài)仿真的方法得到結(jié)果。利

33、用matlab可減少編程量，使優(yōu)化設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。4.2 參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法pid 參數(shù)最優(yōu)化是指比例、積分、微分調(diào)節(jié)器的kp、td、ti為何值時(shí)，使得某個(gè)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，歸屬于多變量函數(shù)尋優(yōu)。由函數(shù)導(dǎo)數(shù)尋優(yōu)的方法(梯度法)在非線性時(shí)變系統(tǒng)中是不適用的，只能采用直接尋優(yōu)的方法，這一類方法不必計(jì)算目標(biāo)函數(shù)剃度，常用的方法有黃金分割法，單純形法等。而單純形法是多變量技術(shù)中常用的方法。其思想為：在n維空間中取(n+1)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成單純形，比較這(n+1)個(gè)點(diǎn)處的目標(biāo)函數(shù)值，丟棄最壞的點(diǎn)(即函數(shù)值最大的點(diǎn))，代之以其對(duì)稱點(diǎn)，構(gòu)成新的單純形，反復(fù)迭代來尋得函數(shù)值最小的點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)仿真中，采用c 語言，for

34、tran語言實(shí)現(xiàn)，算法繁瑣，編程量大。故采用matlab優(yōu)化工具箱中的fminsearch函數(shù)，利用simulink建立仿真模型，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)論圖28 實(shí)時(shí)控制結(jié)果由圖28可知，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的pid控制器能對(duì)磁懸浮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，并且動(dòng)態(tài)性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。磁懸浮技術(shù)以其特有的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的研究，在能源、交通、航空航天、機(jī)械工業(yè)和生命科學(xué)等高科技領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景。對(duì)磁懸浮技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以推動(dòng)磁懸浮高技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義?？刂破魇谴艖腋∠到y(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有著密切關(guān)系。控制器應(yīng)如何設(shè)計(jì)才能使系統(tǒng)穩(wěn)定地

35、工作并達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)是研究磁懸浮系統(tǒng)必須解決的問題。而控制器的核心是控制算法及其實(shí)現(xiàn)。因此，本設(shè)計(jì)旨在研究一種磁懸浮pid控制系統(tǒng)。本論文的主要工作有以下：1.在分析磁懸浮系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性；2.根據(jù)自動(dòng)控制理論，分析了控制器對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)出了pid控制器再用matlab軟件對(duì)其進(jìn)行仿真；3.對(duì)磁懸浮控制系統(tǒng)做了pid控制仿真研究；4.用所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)磁懸浮控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。有關(guān)進(jìn)一步研究與開發(fā)的思考：1.用單片機(jī)機(jī)控制磁懸浮系統(tǒng)的方法并不唯一，針對(duì)單片機(jī)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；2.可以考慮更加

36、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；3.本設(shè)計(jì)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。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我從中了解到國內(nèi)外磁懸浮技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r以及存在的問題、學(xué)會(huì)了怎樣從一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)建立起數(shù)學(xué)模型并從控制理論的角度分析該模型、也學(xué)會(huì)了pid參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)仿真的整定、更加強(qiáng)了我分析問題和解決問題的能力。在這半年來的設(shè)計(jì)中，由于學(xué)校及指導(dǎo)老師的嚴(yán)格要求，

37、慢慢培養(yǎng)了我們嚴(yán)謹(jǐn)對(duì)待知識(shí)及問題的態(tài)度，為今后的人生之路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 胡壽松.自動(dòng)控制原理m.第五版.北京：科學(xué)出版社，2007.hu shousong. automatic control theory m. fifth ed. beijing: science press, 2007.2 劉豹，唐萬生.現(xiàn)代控制理論m.第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006. 954.liu bao, tang wansheng. modern control theory m. third ed. beijing: china machine press, 2006.954.3 劉金琨.先進(jìn)

38、pid控制與matlab仿真m.北京：電子工業(yè)出版社，2003.3276.liu jinkun. advanced pid control and simulation of matlab m. beijing: publishing house of electronics industry, 2003.3276.4 黃忠霖.控制系統(tǒng)matlab計(jì)算及仿真m北京：國防工業(yè)出版社，2001.240286.huang zhonglin. control system and simulation of matlab m. beijing: national defence industry pr

39、ess, 2001. 240286.5 施陽.matlab語言精要及動(dòng)態(tài)仿真工具simulinkm.陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997.125157.shi yang. essentials of matlab language and the dynamic simulation tool simulink m. shanxi: northwest industry university press, 1997. 125157.6 盧伯英，于海勛.現(xiàn)代控制工程m.第四版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.985.lu boying, yu haixun. modern control engi

40、neering m. fourth ed. beijing: publishing house of electronics industry, 2007.985.7 赫培峰.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.2228.he peifengcomputer simulation technology m. beijing: china machine press, 2009.2228.8 薛定宇反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 m.北京：清華大學(xué)出版社，2000. 120131.xue dingyufeedback control systems design and analysis

41、m. beijing: tsinghua university press, 2000.120131.9 徐麗娜.建模與分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)m北京：科學(xué)出版社，2006.3648.xu lina.modeling and analysis,design and implementation m.beijing: science press,2006.3648.10彭建剛.系統(tǒng)的控制研究j.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008.4850. peng jiangang.study on the control system j.automation technologies and applications,

42、2008.4850.致 謝半年時(shí)光飛逝，在本論文完成的同時(shí)，也意味著大學(xué)四年即將劃上一個(gè)圓滿的句號(hào)。半年的設(shè)計(jì)時(shí)間雖然短暫，我卻從中學(xué)到了很多書本以外的東西，本論文中的每一段文本的輸入、每一個(gè)模型的建立和每一個(gè)圖形的截取之中都有我辛勤的汗水和指導(dǎo)老師不倦的教導(dǎo)。我由衷地感謝關(guān)懷、教誨、幫助、支持和鼓勵(lì)我完成學(xué)業(yè)的老師、朋友和親人。特別感謝我指導(dǎo)老師，半年來他在畢業(yè)設(shè)計(jì)中一直對(duì)我悉心指導(dǎo)，嚴(yán)格要求、熱情鼓勵(lì)，為我的論文的順利完成指出了很好的方向。在此我謹(jǐn)向我指導(dǎo)老師李健老師以及在大學(xué)四年的求學(xué)過程中給予我很大幫助的老師、同學(xué)們致以最誠摯的謝意。附錄總程序如下：#include #include

43、#include #define addwr 0x90 /寫數(shù)據(jù)地址 #define addrd 0x91 /讀數(shù)據(jù)地址int a;void start_i2c();void stop_i2c();void sendbyte(unsigned char c);unsigned char rcvbyte();bit lcd_check_busy(void);void lcd_write_com(unsigned char com);void lcd_write_data(unsigned char data);void lcd_clear(void);void lcd_write_string(

44、unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s);void lcd_init(void);unsigned char readadc(unsigned char chl);bit writedac(unsigned char dat);void delayus2x(unsigned char t);void delayms(unsigned char t);/string voltage_pid(int u); /pid算法 typedef struct pid double setpoint; / 設(shè)定目標(biāo) desired value dou

45、ble proportion; / 比例常數(shù) proportional const double integral; / 積分常數(shù) integral const double derivative; / 微分常數(shù) derivative const double lasterror; / error-1 double preverror; / error-2 double sumerror; / sums of errors pid;void pidinit (pid *pp) memset ( pp,0,sizeof(pid);/定義pid參數(shù) /*=pid計(jì)算部分=*/double pidc

46、alc( pid *pp, double nextpoint ) double derror, error; error = pp-setpoint - nextpoint; / 偏差 pp-sumerror += error; / 積分 derror = pp-lasterror - pp-preverror; / 當(dāng)前微分 pp-preverror = pp-lasterror; pp-lasterror = error; return (pp-proportion * error / 比例項(xiàng) + pp-integral * pp-sumerror / 積分項(xiàng) + pp-derivativ

47、e * derror / 微分項(xiàng) );/*=initialize pid structure=*/double ensors (void) / dummy sensor function return 100.0;void actuator(double rdelta) / dummy actuator function sbit rs = p24; /定義端口 sbit rw = p25;sbit en = p26;#define rs_clr rs=0 #define rs_set rs=1#define rw_clr rw=0 #define rw_set rw=1 #define en

48、_clr en=0#define en_set en=1/#define dataport p0bit ack;unsigned char readadc(unsigned char chl);bit writedac(unsigned char dat);extern bit ack;unsigned char readadc(unsigned char chl);bit writedac(unsigned char dat);/*- 主程序-*/main() /unsigned char num=0; /init_timer0(); unsigned char num=0,i; unsigned char temp7;/定義顯示區(qū)域臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)組 float voltage; /定義浮點(diǎn)變量 lcd_init(); /初始化液晶 delayms(20); /延時(shí)有助于穩(wěn)定 lcd_clear(); /清屏 pid spid; / pid control structure double rout; / pid response (output) double rin; / pid feedback (input) pidinit ( &spid ); / initialize structure spid.proportion = 0