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1、磁悬浮控制实验课件 易杰,实验一 传感器标定实验,一 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 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1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。,三 实验步骤,实验二 磁悬浮的时、频 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
2、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：,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,1、进入Matlab工作环境，利用上一章所得到的系统传递函数，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 PID控制器设计与调节,一、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
3、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 基本原理,在工业控制中，应用最广泛和成熟的控制器是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
4、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：,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：,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：,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,受控对象传递函数的分子项
5、 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：,PID控制器的传递函数是：,传感器的传递函数是：,需仔细调节PID控制器的参数，以得到满意的控制效果。,三 实验器材,磁悬浮实验系统，PC机。,三 实验步骤,1、测量平衡点,2、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,4、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。,
