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1、磁悬浮控制实验课件磁悬浮控制实验课件 实验一实验一 传感器标定实验传感器标定实验一一 实验目的实验目的 以此套磁悬浮系统为实验平台，学习一般传感器的标定方法。二二 实验器材实验器材磁悬浮实验系统，标尺，万用表。1 将标尺粘贴在传感器架上，使其零点处于电磁铁底端，以向下方向为正。2 系统连线按用户手册说明把系统搭建起来。3 启动系统各个部件上电，同时启动系统软件。4 以每一个毫米为单位移动小球，同时记录传感器输出电压。5 依据所记录的数据换算出传感器的数学模型。注：附录注：附录1为磁悬浮实验系统出货时传感器的实为磁悬浮实验系统出货时传感器的实测参数及其数学模型。测参数及其数学模型。三三 实验步骤
2、实验步骤实验二实验二 磁悬浮的时、频磁悬浮的时、频 域分析实验域分析实验 完成一个控制系统的设计最重要的一步便是对系统进行详细的分析。在系统建模一章我们已经得到了磁悬浮系统的模型。系统的微分方程为：221(,)()()()d xmmgF i xdtd i tU tRi tLdt动力学方程电学方程200102232003310102/()()22()Kimx LX sG sKiRKiRU ssssLmxLmx系统的传递函数为：利用MATLAB工具对已经得到的系统传递函数进行一些列的特性分析，为以后设计控制器提供理论指导。实验步骤实验步骤1、进入Matlab工作环境，利用上一章所得到的系统传递函数
3、，在Simulink环境下搭建系统开环传递函数。2、给开环传递函数一个脉冲信号并观察开环传递函数的响应。3、给开环传递函数一阶跃信号并观察开环传递函数的响应。4、完成实验报告，总结磁悬浮系统的动态性能，稳态误差，开环频率特性。实验三实验三 PID控制器设计控制器设计与调节与调节一一、实验目的、实验目的 以此套磁悬浮系统为实验平台，学习如何设计控制器以使系统稳定。该系统适合于各种古典及现代控制方法，如PD、PID、Phase lead、H无穷控制等，了解不同的控制方法的优越性，使学生对控制理论有更直观的认识。本实验主要是设计PID控制器。二二 基本原理基本原理 在工业控制中，应用最广泛和成熟的控
4、制器是PID控制器，即比例-积分-微分控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值和实际值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID（Proportional Integral and differential）控制器是一种基于“过去”，“现在”和“将来”信息估计的简单算法。常规PID控制系统原理框图如图2-1所示，系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，他根据设定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。控制器的输入和输出关系可描述为：比例积分微分被控对象+-+图2-1
5、PID控制系统原理图 式中：，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。对于磁悬浮实验系统输出量为小球的位置 ，其平衡位置为 （在被控范围内可任意设定）。系统控制结构框图如2-2所示：01()()()()tpdide tu tKe te t dtTTdt()()()spe tyty tpKiTdTx0 x在上图中，我们假设被控对象的传递函数为 ，控制器的传递函数为 ，传感器传递函数为 。我们可以对上图进行简化，简化后的框图为：0()G s1()G s()H s我们应注意到，此时的传感器传递函数已经变为 即传感器的常数部分已经消去，若原函数为 ，则此时为 。该系统的闭环传递函数为()Hsykx
6、bykx1010()()()()1()()()Hs G s G sG sHs G s G s()()()1()()()sPIDsDENsPIDsDENnumnumnumdendendennumnumnumdendendennumdensnumsdenPIDnumPIDden 受控对象传递函数的分子项 受控对象传递函数的分母项 传感器传递函数的分子项 传感器传递函数的分母项 PID控制器传递函数的分子项 PID控制器传递函数的分母项式中：被控对象的传递函数是：200102232003310102/()()22()Kimx LX sG sKiRKiRU ssssLmxLmxPID控制器的传递函数是
7、：21()dpiiPIDpdPIDK sK sKKnumG sKK sssden传感器的传递函数是：()()()ssnumU sHskX sden需仔细调节PID控制器的参数，以得到满意的控制效果。三三 实验器材实验器材 磁悬浮实验系统，PC机。三三 实验步骤实验步骤1、测量平衡点、测量平衡点2、控制器的设计、控制器的设计 将实验本体与电控箱接上电源，在电磁铁控制范围内任取一平衡点，多次测量小球离开平衡位置时通过电磁铁的电流，取平均值作为，将、代入数学模型的代数表达式中得出系统的确切模型。使用者可根据建模结果设计PID控制器。结合实验一以及得出的系统数学模型，在MATLAB下进行仿真实验，找出合适的理论PID参数作为实际控制参数。3、实时控制、实时控制4、实验总结、实验总结 依据仿真的结果，在本产品所附带的控制程序中实现实时控制。由于数学模型建立的精确性与否及环境的影响，仿真的参数不一定能达到理想的控制效果，此时应根据小球的运动趋势调整控制器的参数，直到获得较好的控制效果。完成实验并提交实验报告，分析理论结果与实际结果的差异。
