智能控制及应用课程设计报告

《智能控制及其应用》课程设计报告

图 2 磁悬浮实验系统结构图

电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力F,只要控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与钢球的重力mg相平衡，钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。为了得到一个稳定的平衡系统，必须实现闭环控制，使整个系统稳定具有一定的抗干扰能力。本系统中采用光源和光电位置传感器组成的无接触测量装置检测钢球与电磁铁之间的距离x的变化，为了提高控制的效果，还可以检测距离变化的速率。电磁铁中控制电流的大小作为磁悬浮控制对象的输入量。 1.3磁悬浮系统的特性

虽然磁悬浮的应用领域繁多，系统形式和结构各不相同，但究其本质都共同具有以下特性：

1.本质非线性 磁悬浮是一个典型的非线性复杂系统。实际中可以通过线性化得到系统的近似模型，线性化处理后再进行控制，也可以利用非线性控制理论对其进行控制。 2．不确定性 主要是模型误差以及电磁干扰，各种外界因素等，实际控制中一般通过减少各种误差，如通过采用遮光罩和增强背景光等措施来减少干扰误差，利用风扇来降低电磁铁温升等不确定因素。

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3．开环不稳定性 磁悬浮系统的稳定状态只有一个，即当电磁力与所悬浮对象的重力平衡时，但这种状态是建立在系统为闭环的情况下。我们知道若系统处于开环状态下，只要有轻微的干扰即可破坏平衡状态。

磁悬浮的以上特性增加了其控制的难度，也正是由于磁悬浮的这些特性，使其更加具有研究价值和意义。 1.4控制器的设计

控制器的设计是磁悬浮系统的核心内容，因为磁悬浮系统是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰，需要给系统设计控制器。目前典型的控制器设计理论有：PID控制、根轨迹法以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论、模糊控制理论、神经网络控制、拟人智能控制、鲁棒控制、自适应控制，以及这些控制理论的相互结合组成更加强大的控制算法，都可以在磁悬浮平台上很方便地进行试验。

2数字PID控制的磁悬浮实验

2.1实验原理及实验内容 1.比例作用

比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，以最快的速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。 2.积分作用

积分作用的引入主要是为了保证实际输出值y(t)在稳态是对设定值ysp (t)的无静差跟踪，即主要用于消除系统静差，提高系统误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T i，T i越大，积分作用越弱，反之则越强。 3.微分作用

微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应速度，反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度。

经典控制理论的研究对象主要是单输入单输出的系统，控制器设计时一般不需要有

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关被控对象的较精确模型。对于磁悬浮输出量为小球的位置所反映的电压变化，在悬浮位置点平衡时重力与磁力相等。系统控制结构框图如下：

图 3 磁悬浮闭环系统图

2.2结果及现象

在Simulink中建立如图所示的磁悬浮模型：

图 4磁悬浮PID控制MATLAB仿真模型

先设置PID控制器为P控制器，令Kp=0.5，Ki=0，Kd =0，得到以下仿真结果：

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从图中可以看出，闭环控制系统持续振荡，周期约为0.4s。为消除系统的振荡，增加微分控制参数Kd，令Kp=0.5，Ki=0，Kd =5，得到仿真结果如下：

为消除稳态误差，我们增加积分参数Ki，并不断调整，最终得到以下较为满意的仿真结果，其中Kp=2.5，Ki=0.1，Kd =20

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