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(jìn)行線性化處理；設(shè)計(jì)PID控制器，在Simulink環(huán)境下搭建控制系統(tǒng)的模型進(jìn)行仿真研究，并在固高GML1001系列磁懸浮裝置上進(jìn)行實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)控制
磁懸浮（Magnetic levitation）是指利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)電流激勵(lì)電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而將鐵磁物體懸浮起來(lái)的技術(shù)。由于磁懸浮系統(tǒng)的懸浮體與支撐體之間無(wú)任何接觸，克服了摩擦帶來(lái)的速度限制以及能量消耗，具有無(wú)摩擦、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，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(lái)表示，控制這些系統(tǒng)就顯得很困難，因此調(diào)節(jié)懸浮對(duì)象的位置，設(shè)計(jì)高性能的反饋控制器將是一個(gè)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(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模及線性化處理，設(shè)計(jì)了PID控制器，對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，并在MATLAB軟件下進(jìn)行仿真及實(shí)時(shí)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(jì)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(dòng)器、被控對(duì)象(鋼球)等元器件組成，是一個(gè)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(guò)離散化處理的，與實(shí)際模型必然存在一定的差距，因此還需進(jìn)行實(shí)時(shí)控制來(lái)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。
3.2 實(shí)時(shí)控制
MATLAB軟件提供了一個(gè)實(shí)時(shí)開發(fā)環(huán)境，可用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)仿真和產(chǎn)品的快速原型化，這一點(diǎn)通過(guò)特殊的應(yīng)用工具箱——Real-Time Workshop(RTW)[5]模塊實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)就是在RTW環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。
通過(guò)研華PC1-1711型數(shù)據(jù)采集卡連接實(shí)驗(yàn)裝置與工控機(jī)，將設(shè)計(jì)的PID控制器用于磁懸浮系統(tǒng)試驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，仿真所得的控制參數(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，經(jīng)多次試驗(yàn)，將參數(shù)調(diào)整為：Kp=1.6、Ki=0.03、Kd=20。這也證明了實(shí)際系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。圖5顯示了實(shí)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(jì)將PID原理應(yīng)用于磁懸浮控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。同時(shí)也為多自由度的磁懸浮系統(tǒng)研究，以及設(shè)計(jì)更復(fù)雜的控制器奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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[5] Real-Time Windows Target Useer’s Guide[Z].The MathWorks Inc，2002.