悬浮控制（精选11篇）
悬浮控制 篇1
1 双管压差密度计
双管压差密度计结构如图1所示。
1-被测悬浮液;2-测压管;3-胶管;4-水盒;5-指示管;6-电极;7-节流阀;8-放大器
工作原理:把长短两管插入密度为ρSU的被测悬浮液中, 两者插入深度分别为h1和h2。一定压强的气体经节流阀7 (直径0.75 mm) 给入双管中, 充满双管后又克服管端压力进入悬浮液。由于节流阀前后的压降随气体流速的增大而增大, 在被测悬浮液流速很慢而密度均匀时, 按流体静力学原理, 液体内部某一点的压力等于其深度与密度相乘。
双管压差密度自动控制装置由测量部分、信号放大部分和执行机构三部分组成。测量部分随时检测密度变化情况, 并在超过规定密度时发出信号;信号放大部分将检测机构发出的电信号接收过来, 通过放大器放大后, 送入执行机构;通过执行机构来调节悬浮液的密度, 使悬浮液的密度保持稳定。
2 水柱平衡密度计
水柱平衡密度计结构如图2所示。
1-介质箱;2-重介管;3-汇流槽;4-喷嘴;5-定压箱;6-清水管;7-介质箱溢流管;8-电极;9-标尺
它是利用压差原理来测定的。被测悬浮液, 通过介质箱1的固定筛, 脱除大块后, 进入重介管2从喷嘴4流出。为保持液面高度的稳定, 另一部分悬浮液则从介质箱溢流管7流出。重介管的直径大于喷嘴直径, 因此, 管内悬浮液流速小, 可视为静止状态。定压箱5的清水缓慢经过清水管6, 也通过喷嘴4流出。从喷嘴4流出的水和悬浮液的混合物去稀介质桶。按流体静力学原理, 在水和悬浮液都通过喷嘴4流出时, 水柱的压力与悬浮液柱的压力相等。
由于重介管长度h是固定的, 水的密度P是1g/cm3, 因此, 水柱高度H的变化, 直接反映悬浮液密度的变化。实际应用中, 把水柱高度的变化值转换成电信号, 经过放大输入执行机构。水柱平衡密度计电控系统见图3。
3 放射性同位素密度计
放射性同位素密度计最常用的是“穿透式”。它是按7射线穿过悬浮液时被吸收的程度大小测定悬浮液密度。其简单原理是:将一放射源放在装有悬浮液的管道一侧.而将被测定γ射线强度的接收器放在管道另一侧 (见图4) 。γ射线穿过悬浮液后有一部分射线被悬浮液吸收, 吸收的射线强度与悬浮液密度成正比。所以, 悬浮液的密度可按接收器所测得的总放射性强度大小确定。
4 悬浮液密度自动控制系统
图5是我国某选煤厂使用的水柱平衡密度计自动控制系统。从合格悬浮液输送管内引出的被测悬浮液, 经固定筛筛出煤粒, 筛下悬浮液经定压漏斗进入重介质管, 再进入汇流槽。同时清水经清水管也进入汇流槽, 汇流后, 由节流嘴排至变流箱。此时密度指示管显示出一个水位高度, 就可从旁边的标尺上读出此时的密度值。
在生产中, 悬浮液密度正常, 电动执行器不转动。此时由密度计喷嘴喷出的悬浮液, 经变流箱流入合格介质桶。在悬浮液密度升高或降低时, 插入测量管中的电极浸水深度发生变化, 发出不同的电流信号, 经放大器放大后, 使用电动执行器带动变流箱内的闸板。在对悬浮液密度进行调节的同时, 介质桶的液位也在不断变化。因此, 介质桶内又设置有液位自动调节装置, 并与密度自动控制装置统一组成一个调节系统。在液位低于规定值时, 液位计就发出信号给执行机构, 向合格介质桶内添加悬浮液, 使液位达到规定值。液位过低, 表明磁铁矿量少, 要添加新磁铁矿补充;液位过高, 合格悬浮液的密度肯定降低, 要加大分流量进行浓缩。
摘要：悬浮液密度检测技术主要有双管压差密度计、水柱平衡密度计、放射性同位素密度计、悬浮液密度自动控制系统。选煤厂中最常用的是双管压差密度计和水柱平衡密度计, 放射性同位素密度计使用较少。
关键词：悬浮液,密度,自动控制
参考文献
[1]黄占轶.浅析重介选煤过程中悬浮液回收与净化[J].中小企业管理与科技, 2013, (01) :191-192.
[2]李勇.重介选煤厂介质系统管理浅谈[J].中小企业管理与科技, 2012, (31) :76.
[3]解国辉.选矿工艺[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2011.
从列车悬浮到人悬浮 篇2
像鸟儿那样自由自在地翱翔是人类由来已久的心愿。严格地说，飞机只是部分地实现了人类的心愿。不久前，荷兰内伊海根大学高磁场实验室的海姆博士和他的研究小组在美国《今日物理学》等杂志上发表研究报告指出：“我们能令所有的东西，包括薄饼、青蛙和老鼠等，都能悬浮在空中自由飞翔。”在他们高磁场实验室里，青蛙确实在空中悬浮过，条件是增强磁场。内伊海根大学的专业人员告诉人们，尽管青蛙、老鼠等生物与磁悬浮列车一样不带磁性，但是当它们遇到足够强大的外界磁场作用时，其体内的每一个原子都宛如一个小磁铁，它们组合在一起如同一个大磁铁。这个大磁铁的磁场将全力去抗衡外磁场，即产生了“抗磁性”。而且外部磁场越强，抗衡外磁场的力就越强大。正是这个道理，荷兰科学家在自己的高磁场实验室中创造的强大磁场，令质量较小的青蛙飘浮到空中，且能自由活动。
荷兰科学家的这一新成果使科学家相信，多数生命和非生命，包括人类和薄饼，都具有法拉第最先提出的“抗磁性”现象。就是说，只要能制造出强大磁场，人也能像列车一样悬浮。如果这个磁场的范围很大，人在其中自由翱翔也不是梦想。就像人们在电视画面中看见“失重”的宇航员在人造卫星或空间实验室里工作生活时，随意飘来飞去的情形一样。此后不久，日本科学家又成功地使一块玻璃“失重”。他们将一块正方体光学玻璃放进大于20万高斯的强磁场后，奇迹出现了：玻璃失去重量飘浮到空中，像人造卫星上情景一样。当然无磁性的玻璃也是因为产生了“抗磁性”，使磁场力与玻璃自身重力作用互相抵消之结果。
磁悬浮飞轮的终端滑模控制 篇3
关键词：磁悬浮飞轮,终端滑模控制,高增益观测器
0引言
飞轮储能是一种新型的绿色蓄能方式。飞轮储能电池的转化效率、蓄电容量以及充放电次数都优于普通的化学电池,这些优点使得飞轮储能在电动汽车、轨道交通和电力调峰等领域有着广阔的应用前景。飞轮储能系统是以高速旋转的飞轮来储存能量的。以主动磁轴承支撑飞轮转子,飞轮转子悬浮在真空室内,不需要润滑和机械轴承,可以大大地降低摩擦阻力,从而减小系统的能量耗散,同时减小了系统的抖振,使飞轮系统的寿命延长,并改善了飞轮在高速转动时的运动品质。
由于需要产生很大的止推力使转子悬浮,这会增加主动磁轴承的电能消耗,故在实际应用中,一般将主动磁轴承与永磁轴承组合使用,即,永磁轴承提供转子悬浮的力,而主动磁轴承用以消除飞轮的振动。
滑模变结构控制的系统“结构”不固定,随着系统的状态,按照预定的“滑动模态”轨迹运动。滑动模态的设计与系统参数和扰动无关,故滑模控制对系统所受干扰和参数的不确定性具有自适应性[1,2]。由于普通滑模控制无法实现系统状态在期望的时间内收敛到系统平衡点,Zak于1988年提出了终端滑模控制。
终端滑模控制在滑模切换函数中引入非线性项,改善了系统的收敛特性,使得系统可以在有限的时间范围内快速、精确地收敛到期望的轨迹。由于这些优点,终端滑模控制广泛应用于机器人控制、电机控制和飞行器控制等领域。本文将终端滑模控制应用到磁悬浮飞轮的控制中。
1磁悬浮飞轮系统动力学模型
磁悬浮飞轮系统共有6个自由度,由于飞轮储能原理,其中I是飞轮系统在z轴的转动惯量,是沿z轴转动的角速度,故飞轮系统除了沿z轴的转动的自由度而外,其余5个自由度均需用磁轴承加以约束,以使飞轮系统悬浮在封闭的真空机座内。同时在建模的过程中假设磁轴承止推力是控制电流的线性函数。
可得磁悬浮飞轮系统的动力学方程[3]:
m位转子质量,其中;Jr为赤道转动惯量;Jp为极转动惯量;ω为转子延z轴旋转角速度;ε为离心率(静不平衡量);η为旋转轴与惯性轴夹角(动不平衡量);θ1,θ2分别为初始相位;kx,ky,kz分别为磁轴承x,y,z方向的位移刚度;kix,kiy,kiz分别为磁轴承x,y,z方向的电流刚度;l为磁轴承间距;u1,u2,u3,uz为相应电流控制量。
其中,kx——转子轴向的位移刚度;
ki——轴向磁悬浮轴承的电流刚度;
m——转子的质量;
x——转子的轴向位移;
u——是磁悬浮轴承的电流输入;
τ——系统时延。
转化为状态方程:
其中,
2磁悬浮飞轮的控制
依据已获得的磁悬浮飞轮的动力学模型设计基于高增益微分观测器,并设计终端滑模控制器,之后做稳定性分析,验证控制器的有效性。2.1高增益微分观测器
微分信号的求取是控制的关键问题,迅速精确地获取信号的速度对于控制系统至关重要,由传感器测量到的位置信息估计其速度和加速度在工程上是困难的任务和极具挑战的问题。
高增益微分器是指增益趋于无穷大(或充分小)的时候,对给定信号可以提供准确的时间倒数[4]。
依据文献[5]设计三阶微分观测器,以实现对信号获取以及对速度加速度的估计。
高增益微分器如下:
2.2终端滑模控制器设计
由被控系统方程,设计基于高增益微分器的滑模切换函数:
根据Hurwitz条件,得c1>0,c2>0。
跟踪误差为:
其中xd(t)是预期的输入信号,在这里没有输入xd(t)=0。
采用指数趋近律,
常数ε表示系统运动点趋近切换面s=0的速率。ε小,趋近速度慢;ε大,则运动点到达切换面时将具有较大的速度,引发的抖动也较大。
依据文献[6]设计滑模控制器:
当t<T时,
当t<T时,
求得p(t)一阶导:
求得p(t)二阶导:
求得p(t)三阶导:
可得方程组,解得:
设计控制率为:
2.3稳定性分析
将(4)式代入(5)式,并整理得:
已经证明,高增益微分器的观测误差是渐进稳定的,即增益趋于无穷大时,微分器能给出状态的准确估计值。
3仿真
系统的参数在表1中给出。控制器及观测器的参数如下:
模型初始条件是[0.00005;0.00002;0.00002],在仿真的过程中发现,微分器的初始条件并不需要同模型初始条件完全一致,只需保证位移初始条件一致即可。高增益微分器初始条件为[0.00005;0;0]这是因为只能测得位移信号,故将其作为高微分器的初始条件代入。
依据图6可知,使用终端滑模控制可以使系统响应快速收敛到平衡点,而普通滑模控制的调节时间较长。由控制器的输出可知,终端滑模控制所需的能量更小,这正是期望的。
4总结
本文针对已知的磁悬浮飞轮系统采用高增益微分器对磁悬浮系统飞轮系统的状态进行观测,获得状态的观测值。并用观测值作为终端滑模控制器的输入,实现了磁悬浮飞轮在要求的时间内从初始条件快速收敛到平衡点。
参考文献
[1]张袅娜.终端滑模控制理论及应用[M].北京:科学出版社,2011.
[2]许洋,王湘江,刘怀民.导电聚合物驱动器的自适应滑模控制研究[J].机电工程,2015(11):1428-1432.
[3]刘刚,李彩凤.磁悬浮飞轮转子系统的快速Terminal滑模控制[J].航天控制,2008,26(3):93-94.
[4]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2011.
[5]A.N.Atassi,H.K.Khalil.Separation results for the stabili-zation of nonlinear systems using different high-gain ob-server designs[J].Systems&Control Letters 39(2000)183-191.
磁悬浮列车作文 篇4
到了上海，我们先在浦东机场买好车票，然后来到了磁悬浮列车车站，只见它的外壳由银色的金属板构成，像一扇巨大的百叶窗。刚进车里坐下，就听见喇叭里说：“乘客们，欢迎乘坐上海磁悬浮列车，列车快要启动，请您坐好”。这时的我有一些忐忑不安，生怕列车运行时从细细的轨道上摔下来。忽然，随着车子的一阵轻微震动，列车出发了!渐渐地它的速度越来越快，从车厢的显示器上看到，时速从5公里、10公里、15公里，行驶了3分钟左右的时间，时速便达到了430公里，我把头朝向窗外：呀，房子像箭似的向后面飞去!呵，一架飞机想逃过我的视线，却逃也逃不掉!在平稳行驶了2分钟以后，列车开始减速，差不多经过了近7分钟，就从浦东国际机场到达了龙阳站，整个行程近30公里。“真快啊!”我不禁感叹道。
爸爸告诉我：磁悬浮列车是德国的工程师为我国设计制造的，它的设计速度为505公里，运行速度为430公里，当它的时速达到300公里以上时，比汽车驶过的声音还小。由于它以电为动力，在轨道沿线不会排放废气，无污染，是一种名工具。
悬浮，薄如空气 篇5
也许你会质疑在这里所提到的“锋利”，没错，MacBook Air的确薄得可以让我们用这个词来形容它，它的薄，让我们难以想象。
MacBook Air的机身边缘最薄，而越往中间处越厚，其最薄处的尺寸仅有4mm，最厚的地方也不过1.9cm，这甚至比现阶段的超薄手机还要薄了。如果你对这个数字没有概念，可以看看它和1元硬币合影的图片，怎么样，现在知道了吧!由于机身过于纤薄，我们在持拿MBA的时候，甚至会担心它的身躯承受不了机身重量而折损——实际上这完全是杞人忧天，MBA的镁铝合金机身不但手感舒适，并且还有很高的强度。
那么，MacBook Air是如何做到如此之薄呢?实际上取决于以下几个主要因素：镁铝合金外壳、LED背光显示技术、高度集成电路板、以及省略的部分配件。前面也提到镁铝合金设计，这种材质往往用于航空工业领域，它集成了高强度和轻质的特性，因此MBA在轻薄的基础上有着很高的硬度，即使从高处跌落，高强度的材质也可以起到保护、缓冲的作用，使机器内部重要部件减小受损的几率。LED背光显示技术是MBA轻薄的主要功臣，相比较多数产品惯用的CCFL背光显示，LED在原理上更为简单，而亮度和对比度都有所提高，因此MBA的显示屏不但更薄，而且即使在强烈阳光照射下，效果依然非常出色。另外，苹果为了更进一步减轻MBA的重量以及更轻薄，省去了包括光驱、网络接口、读卡器以及USB接口等众多部件。对于缺少光驱，很多人都难以理解，苹果对此的解释是：我们的机器不需要常常重装操作系统，大量的资源网上都可以提供，因此没有必要配备光驱。而实际上，如果用户定要配备光驱，也可以购买苹果专门推出的MBA专用USBD光驱。
MacBook Air应用感受
出众的外观，强劲的性能，也许这些都是一款优秀产品所不能缺少这些特征，但评判一款好的产品，最重要的却是它的应用体验。
正如前面所提到，MacBook Air采用了镁铝合金材质，在使用时触感极佳。由于这种材料导热很快，即使在长时间使用后，与手所接触的区域依然会保持较低的温度。同时，镁铝合金材质的外壳区别于容易留下划伤的钢琴烤漆，当我们使用MacBook Air时完全不用考虑它的表面会被划伤或刮花，留下手印更是无从谈起了。MacBook Air的键盘设计在下凹的键盘区域，键冒并不突出，键程也比较短，所以不必担心在MBA闭合时键盘会磨损显示屏。另外，区别于苹果之前推出的笔记本，MBA的键冒采用黑色配色，更醒目突出，使用过程中，整体手感很舒适，噪音很小，每个控键之间的距离较大，这在一定程度上也避免了误操作现象。特别值得一提的是，MacBook Air的键盘设计有环境感光敏感元件，能够根据环境光线的变化自动调节键盘背光和屏幕背光的亮度：当周围环境偏暗时，MBA会“聪明”地自动打开键盘背光，降低屏幕的亮度，而且亮度的步进是很微弱缓慢的，非常人性化。散热一直是小尺寸笔记本比较棘手的问题，而对于13.3英寸的MacBook Air来说，似乎并没有那么严重。在实际使用过程中，我们并没有感觉机器的操作区域有明显的发热。这对于一个移动性超强的笔记本来说是很关键的，你可以将它放在腿上，虽然会有一点热，但绝对不会有不舒适的感觉，更不会影响操作。
如果说工业设计和硬件配置是MacBook Air的血和肉，那么，Mac的操作系统就是灵魂了。对于用惯Windows的我们来说，在刚接触Mac OS X 10.51时真的有些无所适从，但不得不说的是，这个操作系统真的很容易上手，也就是1个多小时，我们就可以比较顺利地驾驭它了，并且完成日常的全部使用需求，可以毫不夸张的说，除了出色的外观和设计外，Mac OS才是MBA的最重要之处。我们更不建议你在这上面使用Windows系统，这样无形中丧失了MBA的灵魂，丢掉了苹果的理念。
MacBook Air为何而生?
可能很多人会和我们一样，在第一次见到MBA时除了惊呼它不可思议的薄以外，更好奇这个本本到底能为我们带来什么样的性能?与EeePC属于同级别?和市场上的主流产品有多大差距?其实我们都错了，MacBook Air可以为我们带来更多……
从配置上，我们可以看到MBA处在当前市场的主流位置，处理器采用主频1.6GHz的Intel Core 2 DUO P7500，二级缓存为4MB。MBA的处理器是采用特殊封装的，比正常CPU的尺寸要小60％左右，但又比全尺寸的LV版本处理器的TDP高出3W，达到了20W，因此发热量会相对高一些。MBA采用80GB硬盘、2GB内存，芯片组为GM965，同时集成了X3100显示芯片，虽然3D性能较独立显卡有所差距，但续航能力有很大改善，我们在Mac的操作系统中连续操作4个小时仍然存有少许电量。另外需要一提的是，MBA采用了4200转1.8英寸三星80GB硬盘，这比市场上的主流笔记本所采用的硬盘转速要低30％左右，测试中的传输速率并不理想。
磁悬浮推力轴承双闭环模糊控制 篇6
1 磁悬浮推力轴承系统
磁悬浮推力轴承是用来控制磁悬浮系统中转子轴向位移的，及时校正转子的偏移。磁悬浮推力轴承由两个线圈缠绕的电磁铁作为定子，一个推力盘作为转子，在转子的一侧放置位移传感器，当转子偏离平衡位置时，由位移传感器检测出偏离平衡位置的位移并与平衡位置进行比较得到位移误差信号，将此信号输入控制器计算出转子回复到原平衡位置所需要力的大小的信号，经过D/A转换电路、功率放大器转换成电流或电压输出，最终使执行电磁铁产生相应的电磁力，使转子回复到平衡位置，从而实现转子的稳定悬浮。
磁悬浮推力轴承运动方程[2]：
x为转子偏离中心位置的位移;S为电磁铁内外环面积;δ为平衡位置时推力盘与左右侧电磁铁的间隙;I0为线圈的偏置电流;μ0为真空磁导率;N为线圈匝数;i为转子偏离时上侧线圈中增加的电流或偏离下侧线圈时减小的电流,当转子偏离上侧线圈或偏离下侧线圈时的气隙分别为:δ-x和δ+x。设定上侧线圈方向为正,下侧线圈方向为负,当转子偏离上侧线圈时,上侧电磁铁中的电流增加以增大所需的电磁力为F1,当转子偏离下侧线圈时,下侧电磁铁中的电流增加以增大所需的电磁力F2。假设x<<δ、i<
2 磁悬浮推力轴承系统分析
磁悬浮推力轴承传递函数图如图1所示。
观察传递函数发现不加任何控制方法的磁悬浮推力轴承系统是不稳定的。对系统传递函数中的参数赋值，转子质量m=1.5 kg，稳态时的气隙δ=0.3 mm，气隙截面积S=10 cm2，线圈匝数N=940，线圈偏置电流I0=0.4 A，经仿真实验可得kx=8 795 857 N/m,kz=3 298 N/A。则传递函数近似为：。用上述参数搭建实验平台，在未加任何控制方法的情况下对系统的位移进行采样，实验位移曲线如图2所示。
为使系统稳定运行必须要加以适当的控制环节使系统稳定。
3 双闭环模糊控制
模糊控制是基于模糊推理、模糊数学同控制理论相结合的一种控制。模糊控制可以克服多变量间的强耦合和调节过程中的时间滞后。从理论分析和数学推导角度揭示和证明模糊控制系统的鲁棒性优于常规控制策略。
磁悬浮推力轴承系统是个不稳定系统，要对其进行控制并达到稳定运行的必要前提是要这个系统成为一个稳定系统，再进一步提高其系统品质。因此本文将模糊控制和传统控制方法相结合，采用的是双闭环模糊控制方法对磁悬浮推力轴承进行控制，使系统稳定并且改善了实际应用中由于电流滞后引起的调节时间滞后问题。
理论传统控制中系统稳定的必要条件可知，其调节电路应包含比例项和微分项，即采用PD调节电路。PD控制器中的微分控制规律，可增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性[3]。
式中KP为静态比例系数，KD为静态微分系数。
以分离点、会合点在原点为临界稳定条件：
式中D(s)为闭环特征方程;N(s)为零点方程。
此时从系统的根轨迹发现零极点全都在左半平面，证明系统稳定了。在此基础上再加上一个外环的PID调节，因为积分系统可以消除系统的稳态误差，是系统具有更好的稳定效果。
将所取参数模糊化，将转子气隙等分为3份，取模糊量：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)[4]。在此我们规定只有NB和PB对系统有影响。当转子在NB或者PB范围内，立即给转子一个相反的最大力把转子推往平衡位置，周而复始让它稳定运行并且加快了调节速度。
调节过程都需要时间，如果在这个时间内控制不住就有可能会不稳定了，因此利用了模糊控制的鲁棒性，此模糊控制和双闭环控制相结合，系统的稳定特性更好和调节时间更快。双闭环模糊控制框图如图3所示。
双闭环模糊控制仿真位移曲线如图4所示。
经仿真可以看出未经调节的磁悬浮推力轴承系统是一个震荡系统，经过双闭环模糊控制调节之后具有较好的控制效果，且仿真发现调节稳定时间很短，符合实际应用的要求。
4 结语
针对磁悬浮推力轴承系统的不稳定性直接造成它不能稳定运行，非线性又导致单纯的传统控制很难达到很好的控制效果。依据这些特点提出了双闭环模糊控制，通过仿真验证了此控制方法的可行性。在实验中还要根据所搭设的实验平台参数不同，其采样和放大电路的结构不同，来改变控制方法中的参数，亦可引进其它的先进策略如自适应控制、模糊控制等，以取得更好的控制效果，提高系统整体的稳定性。本文没有考虑组件之间的电磁耦合，也没有考虑系统高速运转时候的情况。
摘要：针对磁悬浮推力轴承系统上的不稳定性和非线性化的特点,利用经典控制理论对其进行分析,提出了传统控制和模糊控制方法相结合的双闭环模糊控制。经仿真证明,双闭环模糊控制取得较好的控制效果,使磁悬浮推力轴承系统保持稳定性的同时克服了以往调节时间滞后的问题。
关键词：磁悬浮推力轴承,双闭环控制,模糊控制
参考文献
[1]徐锦华,彭辉.模糊控制方法在磁悬浮系统中的应用[D].长沙:中南大学,2009.
[2]刘苏亚,李靳东.电磁推力轴承中的控制系统[J].轴承,2002(11):8-10.
[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2006.
磁悬浮球体控制系统的研究 篇7
关键词：磁悬浮,系统,控制
引言
磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术 (高新技术) 。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和动力学的进展, 磁悬浮技术得到了长足的发展。它的无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注, 国内外学者和企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。随着控制系统理论的不断发展, 开发和采用较为先进的控制技术。基于科研项目的开发基础上总结和设计一种带反馈系统的控制装置, 这样从一定的程度上克服了磁悬浮控制系统的不稳定性[1,2]。
1 磁悬浮系统工作原理
磁悬浮球控制系统是由电磁铁、光源、光电传感器、钢球、控制电路和电流驱动电路等组成, 如图1所示。
当电磁铁线圈中接通电源产生电流时将会产生电磁场, 这样位于电磁铁下方的钢球会受到电磁力吸引作用。因此, 只要控制电磁铁通电产生磁场的大小也就是控制线圈中电流的大小即可以控制电磁力线的疏密, 产生的电磁力与钢球的重力达到平衡时, 钢球就可以悬浮在空中。由光源和光电传感器组成位置传感器, 检测钢球的位置, 将位置信号放大后, 送给控制电路处理, 处理结果用来控制电磁铁线圈中的电流大小, 从而控制钢球所受的电磁力大小。电磁铁与钢球之间的磁力大小与它们之间的距离是成反比的, 距离越大作用力越小, 反之距离越小作用力就越大。当钢球位置低于设定的平衡位置时, 光电传感器接收到的光通量增多, 位置信号变大, 控制电路使电磁铁线圈中的电流增大, 从而增大对钢球的电磁吸引力, 使钢球上升回到平衡位置。当钢球位置高于设定的平衡位置时, 光电传感器接收到的光通量减少, 位置信号变小, 控制电路使电磁铁线圈中的电流减小, 从而减小对钢球的电磁吸引力, 使钢球下降回到平衡位置[2,3]。
2 磁悬浮球悬浮数学模型的建立
根据图1磁悬浮控制系统的示意图, 我们可以进一步简化得到图2球体受力示意图。
球体受力情况如图2所示, 图中mg表示球体所受得重力, F (i, x) 表示线圈通电时球体所受的电磁力, fd (t) 表示系统所受的干扰力, ! (t) 表示球体与参考平面的距离, "0 (t) 表示电磁铁与参考平面的距离, x (t) 表示电磁铁与球体之间的距离, 取向上为正。根据牛顿第二定律可以得到:
f1即表示线圈通电时球体所受的电磁力;f2即表示系统所受的干扰力。根据基尔霍夫定理可以到:
其中L是线圈电感, R是线圈电阻, i是控制电流, i1为上吸线圈偏置电流, i2下拉线圈偏置电流, #为常系数。可以得到:
将 (2) 、 (4) 、 (5) 式代入 (1) 式可以得到:
由此可见该方程式是一个非线性方程, 在这种情况下构成的开环系统是稳定性较差。因此, 需要将系统进行优化, 通过对电磁力在平衡点附近进行分析。我们可以到在某阶段视为线性关系, 具体不展开讨论。利用这个平衡点可以设计系统的参数, 但要想达到理想的效果就必须找到不断地及时地反映当前的参数, 由此可见磁悬浮系统要设计成为一个有反馈的的系统, 这样以保证磁悬浮系统的稳定性[3,4]。
3 硬件实现
磁悬浮系统控制本文主要基于单片机的数字控制器实现, 基于单片机的数字控制器主要有两大部分组成:硬件和软件。硬件部分主要负责完成各种信号的输入处理, 数模和模数转换, 及信号的量化等, 保证单片机正常工作所必要的一些外围电路 (见图3) 。
4 基于单片机的控制器软件实现
软件部分主要任务完成信号的读写及电流大小控制的算法。根据控制器的运行, 采用C51编写单片机实时控制程序, 其主程序的流程图如图4所示。
(1) 程序初始化。主要对所有控制变量和中间量及输入输出的地址进行初始化。设定堆栈指针, 启动定时器T1和T0并设置其工作模式, 启动外部中断0。同时亦初始化显示模块, 通过定时器T0来控制动态扫描模块。
(2) 信号计算处理模块。信号计算处理模块是整个程序的重心所在, 对A/D转换信号进行处理计算, 并通过对数据的分析进行及时调整以便控制电流大小, 这样形成反馈系统对磁悬浮控制系统的稳定性起到较好的作用。
(3) 数字滤波模块。应用数字滤波器处理模拟信号时, 首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍, 其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性, 且以折叠频率即1/2抽样频率点呈镜像对称。为得到模拟信号, 数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平滑对波形进行整形。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。
结束语:
对磁悬浮系统的悬浮的控制工作原理进行了研究分析, 根据力学和电磁学基本理论建立磁悬浮系统悬浮的数学模型并对此进行了深入的讨论。通过课题项目的研究和实验, 结果证明磁悬浮的稳定性和力的平衡等有着较好的效果, 为进一步研究和制作磁悬浮工艺品奠定了良好的研究基础。
参考文献
[1]李凡, 李长凯.电磁悬浮控制系统的设计与仿真[J].新疆大学学报, 2006, 23 (4) :486-489.
[2]卢建华, 刘爱元.基于MCS-51单片机的磁悬浮球数字控制系统设计[J].微计算机信息, 2001, 17 (2) :15-16.
[3]王义进, 席文明.磁悬浮球控制系统的设计研究[J].计算机测量与控制, 2007, 15 (5) :608-609.
[4]姚小伟.磁悬浮系统的控制研究[D].2007.
磁悬浮盘片控制系统的设计与实现 篇8
磁悬浮技术以其无机械接触、无摩擦、无需润滑、速度高、刚度阻尼可控可调等特点, 在世界范围内受到广泛关注。由于磁悬浮系统是一个开环不稳定系统, 磁悬浮控制系统的好坏直接影响磁悬浮系统的稳定性、快速性等重要性能。磁悬浮飞轮电池在卫星姿态调整、储能等领域有着重要的应用前景, 磁悬浮盘片是磁悬浮飞轮电池的雏形, 对它成功的悬浮控制, 可以为后期磁悬浮飞轮电池的结构设计以及支承控制提供现实依据。
磁悬浮盘片是三通道磁悬浮系统, 3个通道的控制都必须通过一个控制器来完成, 这就对控制器的处理速度提出较高要求。选用TI公司的TMS320F2812为控制核心, 其处理指令的能力达到150MIPS, 远远高于一般的单片机。为了解决在磁悬浮盘片控制系统中使用常规PID时参数难整定的问题, 采用模糊自整定PID算法, 完成对磁悬浮盘片的控制。
1磁悬浮盘片的结构及模型
磁悬浮盘片是磁悬浮支承技术的基础研究。根据三点确定一个平面的原理可以用三点支承一个平面, 所以试验装置配有3个电磁铁提供悬浮力、3个位移传感器检测盘片位置。由于试验装置安装的位移传感器为电涡流型位移传感器, 其检测信号会受到电磁场的干扰。考虑到上述因素, 将电磁铁和传感器相互交替对称布置在以盘片中心为圆心、半径为115 mm的圆周上, 传感器测量中心与相邻电磁铁中心相对于盘片中心的圆心角为60o (见图1) , 这样可以使电磁铁与电涡流位移传感器的距离最远, 从而减小电磁铁对位移传感器的干扰。采用这种结构, 位移传感器检测的位置并不是电磁铁与盘片之间的气隙, 需要通过算法解耦[1], 得到每个电磁铁中心到盘片的气隙值。
2数字控制系统硬件设计
本系统中硬件电路以TMS320LF2812为控制核心, 它是美国德州仪器公司 (TI) 推出的32位定点DSP芯片, 哈佛流水线结构, 功能强大, 主时钟经过内部PLL电路, 最高可达150 MHz。它既具有数字信号处理能力, 又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能, 特别适用于对实时性要求较高的控制场合[2], 控制系统原理见图2。
3路电涡流位移传感器 (S1、S2、S3) 把盘片位移信号转化为0 V～5 V电压信号, 通过2812自带12位AD模块采样进入DSP芯片, 经过DSP的解耦和计算, 得到3路数字控制量, 再由四通道DAC7724芯片中的3路DAC转换成控制电压信号, 该信号经过3路功率放大器的放大, 驱动电磁铁 (M1、M2、M3) 完成对磁悬浮盘片的控制。
2.1 A/D转换电路
采用2812自带AD转换模块, 它有16个采样通道, 丰富的控制寄存器, 采样方式灵活, 12位的采样精度也满足磁悬浮盘片系统需要。需要注意的是, 2812自带AD模块采样范围为0 V～3 V, 而系统中电涡流位移传感器输出信号为0 V～5 V, 如果两者直接连接, 势必损坏DSP芯片。在传感器和DSP之间加上信号调理电路, 就可以把0 V～5 V信号转换为0 V～3 V, 而且加上适当的保护电路和滤波电路, 还能提高系统的可靠性和稳定性。
2.2 D/A转换电路
DAC7724是BB公司生产的四通道、并行12位模数转换芯片, 单个通道数模转换建立时间为10 μs。由于选用的DAC芯片数字电源电压为+5 V, 通常应该考虑把TMS320F2812输出的数据信号和控制信号进行电平匹配再与DAC7724连接。但是仔细查阅两个芯片的DATASHEET会发现, TMS320F2812数字量输出高电平VOH的最小值为2.4 V, 输出低电平VOL的最大值为0.4 V, 而DAC7724的数字量输入高电平VIH的最小值为2.4 V, 输入低电平VIL的最大值为0.8 V, 因此, TMS320F2812与DAC7724直接相连不会出现电平不匹配的现象。图3为D/A转换接口电路原理图。
CPLD在本设计中代替传统译码电路, DSP输出的地址信号由它转换后控制DAC7724。由于它编程方便, IO口丰富, 使数字控制电路板的可扩展性更强, DSP对外设寻址也更加灵活。基于TMS320F2812的数字控制电路对应实物为图4电路板。
3模糊自整定PID控制器的设计
3.1 模糊自整定PID控制器
在数字控制系统中, 传统的离散PID分为位置式和增量式, 这两种算法实现比较简单, 但有一个共同的缺点, Kp、Ki、Kd参数在非线性系统中难于整定。模糊自整定PID控制算法是根据事先由经验建立的控制规则, 在线调节Kp、Ki、Kd 3个参数, 使得参数整定简单、响应速度快、动态特性好。图5为盘片3路控制系统中的一路, 其工作原理如下:位移传感器检测悬浮盘片的位置, 并将信号反馈给DSP, DSP计算出误差e及误差变化率ec, 经过模糊推理计算出当前Kp、Ki、Kd参数, 送入PID调节器, 再由PID调节器产生控制信号, 对线圈进行控制, 从而使盘片能够稳定悬浮。
3.2 模糊控制器的设计过程
模糊控制器的设计可以划分为输入模糊化、模糊控制规则的建立和去模糊化等3个过程。目前在实际中常用的处理方法是Mamdani提出的方法, 即把偏差e和ec转换为[-6, +6]区间连续变化的量, 并使之离散化, 构成含13个整数元素的离散集合, 再把[-6, +6]之间变化的连续变量划分成7个等级:正大 (PB) 、正中 (PM) 、正小 (PS) 、零 (ZO) 、负小 (NS) 、负中 (NM) 、负大 (NB) 。为了对输入量模糊化, 就必须求出其隶属度函数, 本文采用工程中应用较普遍、灵敏度较高的三角函数作为e和ec的隶属度函数。
在响应过程中, 要根据e和ec的值实时调节Kp、Ki、Kd 3个参数, 使系统具有最佳的静、动态特性。模糊控制器的核心就是总结工程设计人员及专家的技术知识和实际操作经验, 建立适合的模糊控制规则表, 而且规则表中个别规则的错误不会对整体的控制效果产生明显影响[3]。模糊自适应PID控制规则表在很多文献中都有论述, 参考文献[4]中的控制规则表比较有代表性, 本文直接使用。
在DSP中写入e和ec的隶属度函数, 实时采集e和ec的值, 再通过控制规则表以及Mamdani的Min-Max模糊推论法计算得出模糊控制输出。经过模糊推理得到的控制输出是模糊子集, 并不能用于盘片的实际控制, 要得到Kp、Ki、Kd的精确变化量, 就必须去模糊化。去模糊化有多种方法, 有重心法、最大中心法、最大平均法, 为了便于C语言的编程, 本文应用重心法去模糊化[5], 得到3个参数的变化量。再通过公式 (1) 计算当前PID参数:
其中:Kp′、Ki′、Kd′是PID参数初始值;ΔKp、ΔKi、ΔKd是根据模糊控制规则求出的变化量。
4数字控制系统实验结果及分析
传感器为电涡流位移传感器, 输出信号为0 V～5 V, 对应位移为0 mm～12.5 mm。磁悬浮盘片系统实物见图6。图中工控机用来采集盘片位移信号, 并作为TMS320F2812数字控制电路板的上位机。
图7是应用模糊自整定PID控制算法时, 磁悬浮盘片起浮的响应曲线。它是由工控机上的模拟量采集卡以1 kHz的采样频率采集得到。盘片起始位置为9 mm, 中心位置设定为3.05 mm, 调节时间为0.172 s, 超调量为27.4%。从图7可以看出, 模糊自整定PID可以使盘片很快进入稳定状态。
5结论
从上述实验结果可以看出上述数字控制系统完全可以应用于磁悬浮盘片数字控制系统中, 它体积小、编程灵活、硬件设计成熟可靠、抗干扰能力强。模糊自整定PID算法的模糊推理过程可以通过查询控制规则表的方式完成, 便于用数字方式实现, 两者的结合可以很好地满足磁悬浮盘片控制的需要。
摘要：磁悬浮盘片装置是磁悬浮飞轮电池的雏形, 该系统对实时性和快速性有较高要求, 而现有的微机控制系统很难达到。针对以上问题, 设计了以DSP2812为核心的磁悬浮数字控制系统, 搭建了硬件电路, 并针对常规PID参数在多输入多输出系统中难整定的问题, 实现了模糊自整定PID算法。最终实现了磁悬浮盘片的稳定悬浮, 满足了系统快速性的要求。
关键词：磁悬浮,DSP,模糊控制,飞轮电池
参考文献
[1]王晓光, 姜奎, 戴迎宏, 等.磁悬浮盘片支承原理的研究[J].湖北工业大学学报, 2007, 4 (8) :14-17.
[2]张卫宁.TMS320C28X系列DSP的CPU与外设[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[3]窦振中.模糊逻辑控制技术及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001.
[4]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社, 2003.
磁悬浮轴承数字集成控制器的研究 篇9
磁悬浮轴承 (简称磁轴承) 是利用电磁铁产生的可控电磁力对转子进行支承以实现其稳定悬浮的。同传统机械轴承相比, 它具有无机械摩擦、无需润滑、精度高等优点[1]。在高速机床、储能飞轮、航空航天等领域有着广阔的应用前景。
磁轴承转子控制系统通常是由位置环和电流环组成的一个双闭环控制系统。位置环的主要功能是根据转子位置变化确定电磁铁所需电流值;电流环的主要功能是根据位置控制器运算结果输出电磁铁所需的合适电流, 使转子维持在指定悬浮位置[2,3]。
位置控制器和功率放大器是磁悬浮电控系统的关键元件, 它们的性能和可靠性直接影响到整个系统的静态和动态性能[4,5,6]。
磁悬浮轴承的位置控制器和功率放大器通常有模拟和数字两种类型。近年来, 随着数字信号处理芯片 (如DSP、FPGA、CPLD等芯片) 的广泛应用, 电路形式逐步向着数字化、小型化及集成化方向发展。
国内外学者在磁悬浮轴承数字控制系统方面开展了很多研究工作。在国内, 文献[7]研究了数字功率放大器, 采用TMS320F2407DSP芯片作为核心器件, 实现电流控制器功能和PWM波产生功能, 可实现转子轴向自由度的稳定悬浮。文献[8]研究了基于TMS320F2812DSP芯片的数字功率放大器, 系统在空载情况下可稳定加速至40 120r/min, 在此过程中, 转子的径向振动小于11μm。文献[9]研究了三电平数字功率放大器, 采用TMS320F28335DSP芯片实现电流控制器功能和PWM波产生功能, 并采用FPGA芯片对PWM波进行180°移相, 系统可实现稳定悬浮。文献[10]研究了基于FPGA芯片的磁悬浮轴承数字集成控制器, 该集成控制器包含了位置控制器和部分功率放大器功能, 可实现单自由度磁悬浮球的稳定悬浮。文献[11]采用CPLD芯片ACEX1K30取代模拟芯片TL494, 实现PWM波产生功能, 以降低功率放大器损耗。在国外, 文献[12]研究了数字控制器在主动磁悬浮轴承中的应用, 实现了磁悬浮转子的稳定悬浮和高速旋转。文献[13]将基于FPGA的嵌入式控制器应用于磁悬浮轴承转子系统中, 结果表明该控制器具有高转换率、高精度等优点。文献[14]研制了基于鲁棒控制算法的数字功率放大器, 结果表明该功率放大器具有良好的动态性能和抗干扰能力。
TMS320F28335DSP芯片不仅能实现复杂的控制算法, 且具有重要的片内外设EPWM模块, 可直接产生驱动功率电路的PWM波。因此, 笔者选择该芯片作为核心器件, 研制了数字集成控制器。
1 数字集成控制器工作原理
本研究中数字集成控制器为五自由度控制器。由于转子的振动主要是弯曲振动, 故可忽略转子轴向自由度的影响。此外, 为简化控制策略, 转子的径向控制系统可采用2个二自由度多输入/多输出或4个独立的单自由度单输入/单输出控制系统构成[15]。本研究将5个自由度分别看成5个独立的单自由度系统。图1为单自由度磁悬浮轴承转子系统的工作原理示意图。系统主要由转子、电磁铁、传感器、位移控制器和功率放大器组成。其工作原理如下:当被悬浮体偏离平衡位置xref时, 传感器检测到偏离位移信号, 并将该位移信号转换为电压信号E送入位置控制器中, 位置控制器通过特定的控制算法计算出相应的控制信号, 通过功率放大器将该控制信号转化为负载线圈中的控制电流Ic, 使一个电磁铁中的电流为I0+Ic, 而相对的另一个电磁铁中电流为I0-Ic, 从而产生差动电磁力, 使转子回到设定的平衡位置。其中控制电流Ic的正负与规定的转子位移的正负有关[16]。在图1中, 规定转子位移向上为正, 向下为负;当转子向上偏移时, Ic为负, 反之, Ic为正。单自由度磁轴承转子系统的工作原理不仅适用于水平放置的转子, 同样适用于竖直放置的转子。
本文研制的数字集成控制器集成了位置控制器和功率放大器中的电流控制器和PWM波产生等环节, 可通过一片DSP芯片来实现, 其框图如图2所示。
选用TMS320F28335DSP作为核心处理芯片。其主频为150 MHz, 1.9V内核供电, 3.3VI/O设计、内置16个12位模/数转换器 (ADC) 的通道, 具有专门产生PWM波的EPWM模块, 具有集成的Watchdog、PLL、时钟等电路[17]。
本文通过对TMS320F28335DSP相应寄存器的编程实现位移环控制、电流环控制及驱动电路PWM波产生功能, 即仅通过对一片DSP的编程来实现位移控制器和部分功率放大器环节的功能。其中位移控制器采用不完全微分PID控制策略;电流控制器采用抗积分饱和的PI调节, 利用DSP中的EPWM模块产生占空比实时变化的PWM波, 从而控制磁悬浮轴承负载线圈中的电流大小。
2 硬件电路的设计
2.1 A/D转换调制电路的设计
TMS320F28335DSP芯片有内置的A/D模块, 转换速度快, 可以满足系统的需要。在使用DSP的A/D模块对输入信号进行采样时, 采样信号里面往往含有多种频率成分的电磁干扰信号。因此, 本文采用了截止频率为2.84kHz的一阶低通RC滤波器, 对采样信号进行滤波处理, 以提高系统的信噪比。此外, 由于A/D模块输入电压为0~3V, 根据系统设计需要对其进行电平转换。图3为位移采样电平转换和滤波电路, 图4为电流采样电平转换和滤波电路。
2.2 CPU主电路的设计
数字集成控制器的主电路主要包括TMS320F28335DSP芯片、电源电路、复位电路、时钟电路、JTAG仿真接口电路。
TMS320F28335DSP芯片采用双电源供电 (3.3V的I/O电压和1.9V的内核电压) 。由于该芯片对供电电源很敏感, 本系统选用电压精度比较高的电源芯片TPS76801和TPS75533分别提供1.9V和3.3V电压。
复位电路的作用是:上电过程中在内核电压与I/O电压没有达到设定值之前, 确保DSP为复位状态。本系统时钟电路的设计是利用DSP内部所提供的晶体振荡器电路, 即在DSP的X1和X2引脚之间连接一个30MHz的无源晶振, 由于DSP内部有一个可编程的锁相环, 故用户可以根据系统所需时钟频率来进行编程设计。为了提高JTAG下载口的抗干扰性, 在与DSP相连接的端口处均采用上拉设计。
2.3 驱动电路的设计
当磁悬浮轴承采用差动结构时, 五自由度的磁悬浮轴承系统共有10组电磁铁线圈, 需要10路独立的PWM波。本文在硬件电路设计中, 利用一块TMS320F28335DSP中的5个EPWM模块来产生驱动半桥换能电路5个自由度所需的10路独立的PWM波。图5为磁悬浮轴承功率放大器原理图, T1和T2是相同的PWM波, 以保证上下桥壁功率器件同时导通和关断。
为了隔离强电对弱电的影响, 防止半桥电路的干扰通过地线影响到控制电路, 本文选用光耦隔离驱动芯片TLP250驱动半桥换能电路。考虑到TLP250所需要的驱动能力主要是由输入电流决定, 其需要的驱动输入电流大于由DSP芯片产生的PWM波的驱动电流。本文利用74HCT244芯片来增强PWM的驱动能力, 该芯片将3.3V CMOS电平转换为5V CMOS电平, 有8路驱动转换通道, 供电电源为+5V。
3 软件算法的实现
由于数字集成控制器取代了位置控制器和部分功率放大器的功能, 因此DSP芯片的软件部分主要用于实现位移的不完全微分PID控制算法、电流的PI算法及PWM波的产生。对于磁轴承这样的开环不稳定系统, 通常采样频率至少应高出外载荷频率的5倍以上。因此本文的AD内核时钟信号选为1.25MHz, 五自由度AD采样时间最多约为80ns, 通过调理ConfigCpuTimer的参数, 设定DSP的CPU定时中断的周期为30μs。图6为控制程序的主程序结构图, 图7为控制程序的定时中断程序流程图。
3.1 位置控制器的设计
由于实际工业生产过程中系统往往具有非线性、时变不确定性、难以建立精确数学模型等特点, 因此标准PID在实际应用中不能达到理想的控制效果。从稳定性的角度出发, 微分环节对高频干扰的响应很敏感, 存在放大噪声的缺点, 本文在微分环节串联上一阶低通滤波环节, 以减小高频振荡, 并在不完全微分PID控制器后串联超前校正环节, 构成带超前校正环节的不完全微分PID控制器, 如图8所示。图中, mi为转子第i自由度当量质量, kib为转子第i自由度在磁悬浮轴承处的x-位移系数, Ks为位移传感器的传递函数。
位置控制器的传递函数为
式中, Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;Tf为滤波器系数;α为超前校正角;TL为超前校正系数。
为实现数字编程, 本文采用一阶向后差分的方法进行离散化处理, 得到下面离散化表达式。
比例通道输出:
积分通道输出:
微分通道输出:
不完全微分PID环节总输出为
带超前校正的不完全微分PID总输出为
式中, Ki为积分系数;Kd为微分系数。
3.2 电流控制器的设计
3.2.1 PI调节
为防止PI调节后积分饱和, 本文采用抗积分饱和的PI调节算法, 其原理如图9所示。图中, Kc为抗积分饱和系数。比例调节的作用是消除偏差, 提高系统的响应速度;积分调节的作用是消除静态误差, 提高系统的稳态精度。
抗积分饱和PI控制器的控制算法为
离散化后得到:
在DSP的PI程序中, 本文是将霍尔电流传感器的反馈信号与固定偏置电流的和作为PI调节器的反馈信号, 将位移控制器的输出信号作为PI调节器的参考信号。输出信号为经过PI运算的输出值, 将此输出值作为EPWM模块的比较寄存器的值, 通过配置EPWM模块产生所需占空比的PWM波。
3.2.2 PWM波的产生
一个EPWM模块可输出两路独立的PWM信号:EPWMxA和EPWMxB, EPWM模块可产生对称和非对称的PWM波。
当产生非对称的PWM波形时, 定时器设定为连续递增模式, 其周期寄存器被赋予一个与所需PWM周期相对应的值。在每个周期内, EPWM模块内比较寄存器的值与对应的定时器的值相比较, 产生所需占空比的PWM波, 如图10所示。
当EPWM模块产生对称的PWM波形时, 定时器设定为连续增减计数模式, 此时定时器的周期为PWM开关周期的1/2。在每个周期内, 定时器先递增再递减, 会发生两次比较匹配事件, 产生所需占空比的PWM波, 如图11所示[18]。
TMS320F28335DSP内部共有6个EPWM模块, 本设计中采用其中5个EPWM模块共产生10路PWM波形, 每个EPWM模块配置成单边控制的两路独立的PWM输出, 所有的PWM模块采用同步时钟技术级联在一起。
考虑到采用非对称的锯齿波作为载波时, 电平从高电平向低电平切换时会产生毛刺 (即开关管的导通与关断时间不对称, 会导致较大电流纹波的产生) , 因此, 本设计中将EPWM模块配置为连续增减计数模式, 产生对称的PWM波形, 载波工作频率为25kHz。
4 数字集成控制器的性能
设置功率电压为40V, 磁悬浮轴承的偏置电流为2.5A。在数字集成控制器位移反馈信号输入接口处依次输入直流电压信号, 幅值分别为0V、1V、2V、3V、4V、5V, 利用数字万用表测量对应磁轴承负载线圈的输出电流, 结果如图12所示。由图12可以看出, 数字集成控制器的静态输入量与输出量呈线性关系, 说明控制器的静态线性度好, 同时证明了硬件调理电路及软件换算对应关系的正确性。
采用信号发生器在数字集成控制器位移反馈信号输入接口处输入峰峰值为0~5V的不同频率的正弦电压信号, 采用数字示波器测量对应磁轴承负载线圈的输出电流, 通过对比实验, 并对所得数据用Origin软件进行处理分析, 可得数字集成控制器的相频特性曲线, 如图13所示。
由图13可以看出, 当功率电压为40V、磁悬浮轴承的偏置电流为2.5A时, 数字集成控制器的截止频率为1.35kHz, 可以满足系统高速旋转时动态性能的要求。
5 高速旋转试验
将设计的数字集成控制器应用于磁悬浮轴承柔性转子系统。系统的机械结构如图14所示。其中, 每个径向磁轴承组件包括径向磁轴承和差动安装的4个对应的自制的电涡流传感器。根据设计参数, 转子总长为828mm, 径向和轴向磁悬浮轴承单边气隙均为0.25 mm, 功率电压为40V, 五自由度磁悬浮轴承的偏置电流均为2.5A, 最高转速为12 000r/min。
在电流控制器中, 设置PI的比例系数为0.3, 积分时间常数为0.5, 防积分饱和系数为0.02。根据起浮试验和锤击试验, 可得到径向磁悬浮轴承的稳定区域如图15所示, 轴向磁悬浮轴承的稳定区域如图16所示。
1.轴向传感器2.左径向磁悬浮轴承组件3.系统基座4.轴向磁悬浮轴承5.电机组件6.实心组合转子7.右径向磁悬浮轴承组件
根据控制参数的稳定区域, 选取控制参数如表1所示。
基于以上控制参数, 将转子稳定悬浮, 并利用内置电机带动转子高速旋转。本文采用自制的电涡流传感器作为位移传感器, 其通带截止频率为10kHz, 灵敏度为4.843V/mm, 可满足高速旋转电机振动情况的检测。在系统运行过程中, 转子的振动情况由电涡流传感器实时监测, 并通过数字示波器实时显示。采用动态信号分析仪HP35670采集径向自由度及轴向自由度转子的同频振动, 分别如图17、图18所示。
由图17可知, 在3180r/min (53Hz) 和8700r/min (145Hz) 处转子振动存在两个明显的峰值, 对应振幅分别约为9.6μm和7.4μm。根据已有激振试验结果, 可以认为系统已稳定越过前两阶弯曲临界转速[19]。
由图18可知, 在3480r/min (58Hz) 处转子存在明显的峰值, 对应振幅为3.8μm, 轴向振幅较小。
6 结论
(1) 本文研制的数字集成控制器可取代一般的位移控制器和部分功率放大器环节, 产生的PWM波精度高, 电路简单且集成度高、成本低、程序的可移植性好。
(2) 该数字集成控制器静态输入输出线性度较好, 通带截止频率为1.35kHz, 能够满足磁悬浮轴承转子系统高速旋转的需要。
悬浮帐篷等 篇10
世界首款机械苍蝇
苍蝇虽是恼人的小东西，但它却是人们公认的顶尖飞行高手。近日，西方科学家利用仿生学原理，成功地制造出了世界首款新型机械苍蝇。该人工电子苍蝇采用的推进、驱动、制造方法以及电源供应等，均以非传统的方式进行，其体重只有80毫克，翼展3厘米，使用了超薄层材料，一秒钟能扇动翅膀120次。据悉，新型机械苍蝇具有广泛的应用前景，可用于环境监测、搜救以及军事侦察等许多领域。
数字绘画工具
通常我们在学习绘画的时候都会花费很多钱在购买绘画颜料上面，不过你拥有这样一款数字绘画工具箱Virtuo的话，一切都会变得很容易。Virtuo包括一个调色盘、一个画板等5种绘画工具，它们通过蓝牙与电脑连接。它的工作原理是电磁感应，这样耗电量就很低。Virtuo使用的软件是建立在真实绘画的基本程序之上的，可以让使用者自由尝试。
悬浮控制 篇11
磁悬浮支承是一种新型的、采用主动控制方式、利用电磁力实现的对转子的支承技术。与传统的支承技术相比,它具有无机械接触、摩擦磨损小、振动小、噪声低、不需要润滑和密封等一系列优点,在各工程领域的研究和应用都很广泛,是未来最具有发展前景的理想支承形式之一。控制系统是磁悬浮支承系统中重要的一环,控制系统的好坏直接影响到整个系统的性能,包括稳定性、精度、抗干扰能力等[1]。目前,国内外对磁悬浮轴支承和磁悬浮导轨支承都有大量的研究,但对于如盘状磁悬浮转子等有特定空间要求的磁悬浮设备的研究较少。
本研究基于LabVIEW组建一套磁悬浮盘片的控制系统,对诸如磁悬浮硬盘、微型磁悬浮陀螺等盘状磁悬浮转子的控制进行基础研究。
1系统的设计与实现
1.1系统结构组成
磁悬浮盘片系统主要由传感器、控制器、功放、电磁铁组成。根据3点确定一个平面的原理,对盘片的支承用3个电磁铁和3个传感器来实现。
将电磁铁和传感器相对于盘片圆心交替、对称地布置在同一平面上,如图1所示。相对于盘片中心,传
感器测量中心与相邻电磁铁中心的圆心角为60°,且传感器测量中心与电磁铁中心相对于盘片中心在同一圆周上。对称结构可以在保证正确工作情况下使电磁铁与传感器距离最大,减小或基本消除相互间的影响;3个电磁铁的吸力限制了盘片的平面位置,即绕x、y坐标轴转动的2个自由度及沿z坐标方向移动的1个自由度,由于盘片不受外载荷,所以在x、y平面不需要限制[2,3]。
1.2控制系统原理
系统控制原理框图,如图2所示。
电涡流位移传感器输出盘片实际位置信号,经滤波后转换成数字信号,再与给定位置信号相比较,其偏差值经数据采集卡送入计算机,由LabVIEW开发的控制器对信号进行处理,再由D/A卡输出至功放,使得流过电磁铁的电流随指令变化,通过合适的控制算法,使盘片稳定地悬浮在给定位置上。
传感器的线性量程为12 mm,输出电压为0 V～5 V;采集卡为研华PCI-1711,提供12位最大100 kHz采样速率的A/D转换器,可接受16路单端或8路差分的模拟量输入;D/A卡为PCI-1721,提供4路12位模拟量输出通道,输出电压0 V～5 V;功放为用于感性负载的PWM型开关功放,反应速度为22 A/ms,输入0 V～5 V信号时线性对应输出电流0 A～10 A。
2软件系统设计
在控制系统设计过程中,经常需要进行一些波形的分析和参数的调试工作,传统的方法需先用模拟仪表测量波形和数据,再将其输入计算机中用专业软件进行分析处理,整个设计过程较为繁琐。本研究以NI公司提供的LabVIEW为系统开发平台,LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计,使它不仅在数据信号的采集分析和显示方面有着强大的功能,而且其本身集成的各类系统辨识、系统控制开发工具包也为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案[4]。因此,它可以实时地完成测量、调试和控制任务,大大提高工作效率。本研究使用NI最新发布的LabVIEW8.2来实现磁悬浮盘片的测控系统平台。
2.1软件流程图
系统总程序流程图,如图3所示。
整个程序的重点是信号采集和控制器的设计,控制器采用PID算法,其原理简单,易于整定,在工业中有大量的应用;且LabVIEW自带有PID控制工具包,可以直观方便地进行控制器的设计。
2.2程序实现
LabVIEW所编写的程序分为两部分:①前面板。虚拟仪器的操作和显示在此窗口完成,虚拟前面板提供与用户交互的图形化界面,是虚拟仪器的最上层,通过面板上的输入控件、开关按钮对系统进行操作或控制,而且实时波形显示窗口能对产生的信号进行观察和测量。②程序框图,编写图形化代码的窗口,相当于计算机高级语言的代码。
本控制系统的程序主要由数据采集、PID控制与输出、数据存储等相关模块组成。
2.2.1 数据采集模块
数据采集与存储的前面板,如图4(a)所示。通过前面板可以方便地设置采集通道、增益、输出通道,且实时显示采集到的信号波形,并将系统的实时结果进行记录保存,以便今后需要查询和统计分析时用。如果系统运行过程中有错误发生,将输出error信息并自动停止运行。
信号采集模块的程序框图,如图4(b)所示。与前面板相对应,利用图形语言可以对前面板上的控制量和显示量进行控制。一般在LabVIEW中,使用时需要编写相应的驱动程序才能被识别,而研华提供了与LabVIEW兼容的驱动程序以及部分I/O子vi,可在程序中直接调用,方便了程序设计。因此,本系统中选用研华系列的板卡,而非NI的采集卡。首先,调用采集卡的AI子vi,DeviceOpen打开指定的设备,AIconfig设置采样通道、增益与采样模式,采样通道与采集卡上的硬件连线匹配;采样模式选用软件触发方式;为了与传感器输出相匹配,将AI增益范围设为0 V～5 V;VoltageIn读取采集到的数据并输出,DeviceClose关闭设备;因采集到的信号中有噪声的影响,为了将干扰信号的作用降低,对直接采得的信号进行均值滤波。
2.2.2PID控制与输出模块
根据给定值与实际输出值构成控制偏差,PID控制器对偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)计算后,通过线性组合构成控制量,作用于被控对象,其控制规律为:
式中 Kp—比例增益;TI—积分时间常数;TD—微分时间常数;u(t)—控制量;e(t)—控制偏差。
其中,比例系数Kp主要影响系统的响应速度,TI主要影响系统的稳态精度,TD主要影响系统的动态性能[5]。
根据LabVIEW中PID模块子vi的接口设置,需要在前面板中输入Kp,TI,TD和setpoint(即给定位置)4个参数[6],如图5(a)所示。所对应的控制模块程序框图,如图5(b)所示。调用控制工具包中的PID模块,根据盘片系统的结构和功放的输入输出关系,设置输出范围为0～2.5,对应于功放的0～5 A;调用D/A卡的AO子模块VoltageOut,将PID的输出按与电磁铁的结构对应关系,匹配至输出D/A卡的3个通道;由于D/A卡的输出电压不能自动清零,为了使程序运行完毕后功放输出为0,加入了对AO进行清零的程序。
控制器的关键在于PID参数的整定,根据3个参数对控制过程的影响趋势,采用试凑法来整定各参数。初始只加入比例作用,调节比例系数Kp由小变大,直至响应速度快,且有一定范围的超调为止;然后加入积分环节,先置积分常数TI为一较大值,并将初始整定得到的比例系数逐渐缩小,然后减小积分常数,使系统在保持良好的动态性能下,静差得到消除;此时系统仍然有间歇的不稳定状态出现,再设置微分常数TD,观察超调量和稳定性,同时相应地微调比例系数和积分常数,直至达到满意的结果。
2.3系统运行结果
为了检验系统的抗干扰能力,在盘片z轴方向加入一瞬间扰动,如图6所示。从图6可看出,系统能够快速地恢复到稳定状态中。
3结束语
本系统硬件由电磁铁、盘片、功率放大器等组成;软件在NI公司的LabVIEW开发平台下编写完成。实验表明,该系统达到了设计要求,且稳定、可靠。同时,LabVIEW与位移传感器、信号调理电路、数据采集卡、功率放大器等硬件设备结合良好,因此,该控制系统可以方便地应用于实际工业过程中。
参考文献
[1]胡业发,周祖德,江征风.磁力轴承的基础理论与应用[M].北京:机械工业出版社,2006.
[2]王晓光,姜奎.磁悬浮盘片支承原理的研究[J].湖北工业大学学报,2007,8(4):14-17.
[3]SILVA L D,HORIKAWA O.Experimental development of aone-degree-of-freedom controlled magnetic linear bearing[J].IEEE Transaction on Magnetic,2005(11):4257-4260.
[4]杨乐平,李海涛,赵勇,等.LabVIEW程序设计应用[M].北京:电子工业出版社,2001.
[5]李秀娟,甄冒发.基于虚拟仪器技术在PID控制系统中的应用[J].机电工程,2007,24(6):49-51.