磁懸浮根軌跡控制實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)第三部分自動(dòng)控制系統(tǒng)演示設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是分析、研究、設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種快速而經(jīng)濟(jì)的輔助手段，是從事自動(dòng)控制研究與工程設(shè)計(jì)技術(shù)必須掌握的技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的目的在于使學(xué)生掌握使用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)控制系統(tǒng)仿真程序、用SIMULINK模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真的方法。在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)前，必須熟悉MATLAB及SIMULINK編程，相關(guān)內(nèi)容在附錄II中進(jìn)行了介紹。實(shí)驗(yàn)七磁懸浮系統(tǒng)根軌跡校正和仿真-、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解磁懸浮系統(tǒng)的組成以及系統(tǒng)建模的過(guò)程；（2）學(xué)習(xí)根軌跡法設(shè)計(jì)控制器的原理和方法；（3）學(xué)習(xí)用MATLAB&SIMULINK對(duì)磁懸浮系統(tǒng)建立模型的方法，并仿真實(shí)現(xiàn);（4）學(xué)習(xí)用MATLAB實(shí)現(xiàn)磁懸浮控制器的設(shè)計(jì)，并仿真實(shí)現(xiàn)；（5）了解根軌跡校正實(shí)時(shí)控制方法和過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1）磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置（2）計(jì)算機(jī)（3）軟件要求：Matlab6.5以上版本軟件，VC++6.0軟件，板卡自帶DeviceManager，PCL1711驅(qū)動(dòng)程序，固高磁懸浮實(shí)時(shí)控制軟件。三、實(shí)驗(yàn)原理1、磁懸浮系統(tǒng)組成磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置主要由LED光源、電磁鐵、光電位置傳感器、電源、放大及補(bǔ)償裝置、數(shù)據(jù)采集卡和控制對(duì)象（鋼球）等元件組成。它是一個(gè)典型的吸浮式懸浮系統(tǒng)。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖7-1。圖7-1磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)組成部分圖7-2磁懸浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電磁鐵繞組中通過(guò)一定的電流會(huì)產(chǎn)生電磁力F，只要控制電磁鐵繞組中的電流，使之產(chǎn)生的電磁力與鋼球的重力mg相平衡，鋼球就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。為了得到一個(gè)穩(wěn)定的平衡系統(tǒng)，必須實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定具有一定的抗干擾能力。系統(tǒng)中采用光源和光電位置傳感器組成的無(wú)接觸測(cè)量裝置檢測(cè)鋼球與電磁鐵之間的距離x和變化。電磁鐵中控制電流的大小作為磁懸浮控制對(duì)象的輸入量。2、實(shí)驗(yàn)前連線準(zhǔn)備1）檢查磁懸浮本體右側(cè)船型電源開(kāi)關(guān)，打到關(guān)閉OFF狀態(tài)。2）進(jìn)行數(shù)字量控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，開(kāi)關(guān)打到Dig檔，用配套電纜將插在PC中的數(shù)據(jù)采集卡和磁懸浮實(shí)驗(yàn)本體連接起來(lái)。3）進(jìn)行模擬量控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，開(kāi)關(guān)打到Ana檔，用配套電纜將模擬量控制模塊和磁懸浮實(shí)驗(yàn)本體連接起來(lái)。3、磁懸浮系統(tǒng)模型為了分析或設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先需要建立其數(shù)學(xué)模型。即描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)方程。一個(gè)理想化的物理系統(tǒng)稱(chēng)作物理模型。物理模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱(chēng)作數(shù)學(xué)模型。磁懸浮系統(tǒng)在建模前可進(jìn)行如下假設(shè)：磁通，磁通全部通過(guò)電磁鐵的外部磁極氣隙；氣隙處均勻分布，忽略邊緣效應(yīng)；小球和電磁鐵鐵芯的磁阻，即認(rèn)為鐵芯和小球的磁阻為零。則電磁鐵與小球所組成的磁路的磁阻主要集中在兩者之間的氣隙上；所受的電磁力集中在中心點(diǎn)，且其中心點(diǎn)與質(zhì)心重合。3.1動(dòng)力學(xué)方程假設(shè)忽略小球受到的其他干擾力(風(fēng)力、電網(wǎng)突變產(chǎn)生的力等)，則受控對(duì)象小球在此系統(tǒng)中只受電磁吸力尸和自身的重力mg。球在豎直方向的動(dòng)力學(xué)方程可以如下描述：d2x(t)m=F(i,x)+mgdt2式中：x——小球質(zhì)心與電磁鐵磁極之間的氣隙(以磁極面為零點(diǎn))，單位：mm小球的質(zhì)量，單位：KgF(i,x)---電磁吸力，單位：Ng重力加速度，單位：m/s23.2電磁力模型在圖7.2磁懸浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，小球到電磁鐵磁極的氣隙為x。由上面假設(shè)可知磁路的磁阻主要集中在電磁鐵磁極和小球所組成的氣隙上。畢奧薩伐爾定律告訴我們，在空間任意一點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度都與回路中的電流強(qiáng)度成正比，電磁力公式為：F(i,x)=K(-)2xK為電磁系數(shù)：K=-^0AN2Kf4式中：曰0空氣磁導(dǎo)率，p0=4nx\0-7H/m；KfA-----磁通流過(guò)小球截面的導(dǎo)磁面積；N電磁鐵線圈匝數(shù)；x——小球質(zhì)心到電磁鐵磁極表面的瞬時(shí)氣隙；i電磁鐵繞組中的瞬時(shí)電流；由電磁力公式可知電磁吸力F(i,x)與氣隙x是非線性的反比關(guān)系，這也正是磁懸浮系統(tǒng)不穩(wěn)定的根源3.3電磁鐵中電壓與電流的模型3.4功率放大器模型4、四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告s3+12s2+44s+481、系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s)=s4+16S3+86S2+176S+105用MATLAB程序建立其tf函數(shù)模型