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PID控制器设计磁悬浮小球控制系统

PID控制器设计磁悬浮小球控制系统
PID控制器设计磁悬浮小球控制系统

MATLAB课程设计

课程名称:采用PID控制器设计磁悬浮小球控制系统

学院:电气工程学院

学号:P101813409

姓名:徐敏敏

班级:10级自动化一班

指导教师:杨成慧老师

目录

摘要........................................................1

1.引言.........................................................2

2.系统分析与设计..................................... 5

2.1系统建模及仿真..............................................5 2.2建立磁悬浮小球系统框图....................................7

2.3 PID控制系统..........................................8

2.4 仿真结果分析..............................................13 2.5 总结.....................................................13

2.6 答谢.....................................................13

3.参考文献.......................................................14

摘要:

本文通过对一个磁悬浮小球的分析,简单的描述了磁悬浮列车的原理。控制要求通过调节电流使小球的位置始终保持在平衡位置。通过对磁悬浮小球系统进行数学建模,求出它的系统传递函数,采用PID算法设计调节器,对小球的稳定性进行了分析和仿真,在MATLAB平台仿真获得适当的PID参数范围,进行频域分析,使得磁悬浮小球系统处在平衡状态,在仿真过程中对PI,PD,及PID三种方式进行了比较和分析,对其加入扰动信号,即正弦扰动信号,观察输出波形,对扰动进行分析。本文通过对磁悬浮小球系统的分析,体现了MATLAB的强大功能,突出了它在运算以及作图仿真方面的优势。

关键字: MATLAB, PID控制器, 磁悬浮小球系统,稳定性

1.引言

磁悬浮列车的原理并不深奥。它是运用磁铁“同性相斥,异性相吸”的性质,使磁铁具有抗拒地心引力的能力,即“磁性悬浮”。将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上,使列车完全脱离轨道而悬浮行驶,成为“无轮”列车,时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”,亦称之为“磁垫车”。由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式,故磁悬浮列车也有两种相应的形式:一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车,它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力,使车体悬浮运行的铁路;另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车,它是在车体底部及两侧倒

转向上的顶部安装磁铁,在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板,控制电磁铁的电流,使电磁铁和导轨间保持10─15毫米的间隙,并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡,从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。

磁悬浮列车的产生让人们又多了一种交通方式的选择,磁悬浮列车与当今的高速列车相比具有很多优点:

由于磁悬浮列车是轨道上行驶,导轨与机车之间不存在任何实际的接触,成为“无轮”状态,故其几乎没有轮、轨之间的摩察,时速高达几百公里;

磁悬浮列车可靠性大、维修简便、成本低,其能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一;

噪音小,当磁悬浮列车时速达300公里以上时,噪声只有656分贝,仅相当于一个人大声地说话,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,是一种名副其实的绿色交通工具。

PID控制器中文叫比例、微分、积分控制器。其中P也就是比例,它的作用是将误差放大,作为控制量输出;I积分,它的作用是不断的将误差加起来,也就是考虑了以前时刻的误差量,把这些误差加起来作为控制量输出;D微分,就是考虑连续2个时刻的误差变化,将这个变化作为控制量输出。 PID控制器是在工业领域中常见的控制部件,其把偏差用作新的输入值,改善系统的动态和稳态性能,使被控变量的实际值与工艺要求的预定值基本一致.PID控制器,由比例环节P,积分环节I和微分环节D组成。其传递函

数为 ()??? ??++=s T s T k s G 2111,通过k,T1,T2三个参数的整定来实现对系统的

精确控制。

2.系统分析与设计

2.1、系统建模及仿真(参考材料:物理力学、

电磁学)

磁悬浮小球系统简介:它主要由铁芯、线圈、位置传感器、放大器、控制器和控制对象小球组成,系统开环结构如图所示。

控制要求:调节电流,使小球的位置x 始终保持在

平衡位置。下面来建立其控制系统传递函数。忽略小球受到的其它干扰力,则受控对象小球在此系统中只受电磁吸力F 和自身重力mg 。球在竖直方向的动力学方程可以如下描述:

),()(2

2x i F mg dt t x d m -= _______________________(1)

式中:x ——磁极到小球的气隙,单位m ;m ——小球的质量,单位Kg ;F(i,x)——电磁吸力,单位N ;g ——重力加速度,单位m/s 2。

由磁路的基尔霍夫定律、毕奥-萨格尔定律和能量守恒定律,可得电磁吸力为:

2

2

20),(?

?? ??-=x i AN x i F μ———————————(2)

式中:0μ——空气磁导率,4π*10-7H/m ;A ——铁芯的极面积,单位m 2;N ——电磁铁线圈匝数;x ——小球质心到电磁铁磁极表面的瞬时气隙,单位m ;i ——电磁铁绕组中的瞬时电流,单位A 。

根据基尔霍夫定律,线圈上的电路关系如下:

()()dt t di L

t Ri t U )

(+=——————————(3)

式中:L ——线圈自身的电感,单位H ;i ——电磁铁中通过的瞬时电流,

单位A ;R ——电磁铁的等效电阻,单位Ω。

当小球处于平衡状态时,其加速度为零,即所受合力为零,小球的重力等于小球受到的向上电磁吸力,即:

()2

002

0002

,?

???

??-

==x i AN x i F m g μ__________________(4)

综上所述,描述磁悬浮小球系统的方程可完全由下面方程确定:

),()

(2

2

x i F mg dt t x d

m

-=

2

2

2

0),(?

?

?

??-

=x i AN x i F μ

()2

0020002

,???

?

??-

==x i AN x i F m g μ()()dt t di L

t Ri t U )

(+=

以小球位移为输出,电压为输入,可得系统的传递函数为:

3

11233

1

2

)(k k s k s k s k k s G +--=

其中:

2

2

0AN k μ-

=

3

02

12m x ki k =

2

22m x ki k -=

L

R

k -

=3

设系统参数如下表1所示:

号 参数

数量

单位

1 m 28 g

2 R 1

3 Ω 3 L 118

mH 4 x 0 15.5 mm 5 i 0 1.2

A 6 k 4.587x10-5

Nm 2/A 2

则有:

k k 1 k 2 k 3 4.5877x10-5

1264.5

175032.09

110.17

表1 参数设定

2.2、建立磁悬浮小球系统框图1:

图1 磁悬浮小球系统框图

具体操作:

打开MATLAB软件,在命令窗口中输入simulink,利用sinmulink中模块库中的基本模块,建立系统模型,得到如上图所示的系统框图,经过运行得到仿真图形如图2所示:

图2 未加PID控制器前的仿真图形

从示波器所显示的特性可以看出,此系统是一开环不稳定系统,当有一微小扰动时,小球将偏离平衡位置。因此,我们需要使用某种方法来控制小球的位置。下面,我们将使用PID控制器来稳定系统。

2.3、PID控制系统

在做PID控制系统之前,先通过几个例子来了解和区分一下PI,PD,PID 控制器的在系统稳定性中的作用。

首先是一个PI的程序和图形3:

G0=zpk([],[-1,-2],1);

Ti=[0.5,1,3,6,10,15];

kp=3;

for i=1:6;

Gc=tf([kp,kp/Ti(i)],[1 0])

sys=feedback(G0*Gc,1)

step(sys)

hold on

grid on

ylabel('x0(t)')

legend ('Ti=0.5','Ti=1','Ti=3','Ti=6','Ti=10','Ti=15')

title('Kp=3时不同积分常数下的单位响应曲线对比图')

end

图3 PI曲线仿真图

从上图可以看出,PI环节由于累积效应,可以消除余差,改善系统的稳态性能。

PD程序及图形4:

G0=zpk ([],[-1 -2],1);

Td=[0,0.3,0.7,1.5,3,5];

for i=1:6

Gc=tf([3*Td(i),3],1)

sys=feedback(G0*Gc,1)

step(sys)

hold on

grid on

ylabel('x0(t)')

legend('Td=0','Td=0.3','Td=0.7','Td=1.5','Td=3','Td=5')

title('Kp=3时不同微分常数下的单位响应曲线对比图')

end

图4 PD曲线仿真图

PD环节具有超前调节作用,可以使系统的快速性得以提高,提高系统

的动态性能。

PID程序及仿真图形5如下:

kp=100;

Ti=0.8;

Td=1;

G=tf(1,[1 1 1 2]);

for i=1:length(Td);

Gc=tf(kp*[Ti*Td(i),Ti 1]/Ti,[0 1]);

sys=feedback(Gc*G,1);

step(sys)

hold on

grid on

ylabel('x0(t)')

axis([0,1,0,1.2])

title('Kp=100,Ti=0.8,Td=1时单位响应曲线') end

图5 PID曲线仿真图

PID 控制器对于系统来说,有很大的改善作用,不仅影响系统的动态性能,也能改善系统的稳态性能。从上图可以看出,系统已经稳定。 下面就利用PID 来改善磁悬浮小球控制系统的性能。

利用MATLAB 设计具有PID 控制器的磁悬浮小球控制系统,其控制系统简图如图6所示。

输入 输出

-

图6 加入PID 控制器系统框图

根据开环传递函数建立步骤,在Matlab 中的Simulink 环境下,建立系统的控制总方框图,如图7所示。其中传感器的输出电压与小球位移的关系为U=1178*X ,X 的单位为米,U 的单位为伏。控制电压与功放电压的关系为

U p =2*U c ,单位都是为伏。

图7 系统总框图

调整PID 参数,观察系统瞬态响应和稳态响应的变化;如K P =1,K I =0.05,

PID

G(s)

K D=8,其仿真结果如图8所示。

图8 仿真结果图

在以上PID控制下,给稳定系统加入正弦扰动信号,仿真框图如图9所示。

图9 加入正弦干扰信号后的系统框图

运行仿真,双击示波器,输出结果如图10所示。可以看出系统基本能保持稳定,但出现了震荡过程。

图10 加入正弦干扰信号后的仿真图形

2.4仿真结果分析

在系统未加PID控制后,如图2所示,系统开环不稳定,当有一微小扰动时,小球将偏离平衡位置;在系统加入PID控制后,设置其参数,如图8所示,系统的各项性能指标都得到了提高,最终到达稳定,从而实现了对磁悬浮小球系统稳定性控制的目的。

2.5总结

积分环节由于累积效应,可以消除余差,改善系统的稳态性能;微分环节具有超前调节作用,可以使系统的快速性得以提高,提高系统的动态性能。最为理想的控制当属比例—积分—微分控制。既有比例的及时迅速,又有积分作用的消除余差能力,还有微分作用的超前控制功能。在PID控制的作用下,系统的各项性能指标都得到了显著的提高。只要参数选择得当,便可充

分发挥三种控制规律的优点,得到较为理性的控制效果。

2.6 答谢

感谢本学期杨老师悉心的教导,通过这一学期的学习,我从对MATLAB 一无所知到期末可以拿出一份像样的论文设计,得到了很大提升。

参考文献:

(1)陈执平.大学物理简明教程.化学工业出版社

(2)胡寿松.自动控制原理简明教程第二版.科学出版社

(3)肖田元,范文慧.中国仿真科学与技术书系.连续系统建模与仿真.电子工业出版社

(4)汪小帆李翔译.自动控制系统第8版.高等教育出版社

磁悬浮小球仿真报告

磁悬浮小球控制仿真报告 一.仿真要求 采用根轨迹和频域法仿真磁悬浮小球系统 二.系统建模 磁悬浮系统方程可以由下面的方程描述: 22 d x(t)m F(i,x )mg dt =+动力学方程 2 i F(i,x )K( )x = 电学力学关联方程 (,)+=F i x mg 0 边界方程 ()()=+1 di U t Ri t L dt 电学方程 对2x i K x i F )(),(=泰勒展开: )x -)(x x ,(i F )i -)(i x ,(i F )x ,F(i x)F(i,000x 000i 00++= )x -(x K )i -(i K )x ,F(i x)F(i,0x 0i 00++= 平衡点小球电磁力和重力平衡,有 (,)+=F i x mg 0 |,δδ=== 00i 00i i x x F(i,x)F(i ,x )i ;|,δδ===00 x 00i i x x F(i,x) F (i ,x )x 对2 i F(i,x )K()x =求偏导数得: ==- 20x x 003 02Ki K F (i ,x )x ==0 i i 00202Ki K F(i ,x )x 此系统的方程式如下: x x 2Ki i x 2Ki )x -(x K )i -(i K dt x d m 30 2 02000x 0i 22-=+= 拉普拉斯变换后得:

)()()(s x mx 2Ki s i mx 2Ki s s x 3 2 2002 -= 由边界方程 )20 2 0x i K(mg -= 代入得系统的开环传递函数: 200 x(s)-1 = i(s)a s -b 定义系统对象的输入量为控制电压in U ,系统对象输出量为x 所反映出来的输出电压为out U ,则该系统控制对象的模型可写为: out s s a 2in a 00 U (s)K x(s)-(K /K ) G(s)= ==U (s)K i(s)a s -b 00000 i i a = , b =2g x 特征方程为:200a s -b =0 解得系统的开环极点为:s =取系统状态变量分别为1out 2out x =u ,x =u 系统的状态空间表示法如下: ?11in s ?2200 a 0 1 0x x =+u 2g 2g?K 0-x x x i ?K ???????? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ??????? ][121x x x 0 1y =??? ? ??= 代入实际参数,可以得到 in 2121U 124990x x 0098010 x x ???? ? ?+???? ?????? ??=???? ? ????.. 系统的状态方程可以写为

哈工大_控制系统实践_磁悬浮小球

研究生自动控制专业实验 地点:A区主楼518房间 姓名:实验日期:年月日斑号:学号:机组编号: 同组人:成绩:教师签字:磁悬浮小球系统 实验报告 主编:钱玉恒,杨亚非 哈工大航天学院控制科学实验室

磁悬浮小球控制系统实验报告 一、实验内容 1、熟悉磁悬浮球控制系统的结构和原理; 2、了解磁悬浮物理模型建模与控制器设计; 3、掌握根轨迹控制实验设计与仿真; 4、掌握频率响应控制实验与仿真; 5、掌握PID控制器设计实验与仿真; 6、实验PID控制器的实物系统调试; 二、实验设备 1、磁悬浮球控制系统一套 磁悬浮球控制系统包括磁悬浮小球控制器、磁悬浮小球实验装置等组成。在控制器的前部设有操作面板,操作面板上有起动/停止开关,控制器的后部有电源开关。 2、磁悬浮球控制系统计算机部分 磁悬浮球控制系统计算机部分主要有计算机、1711控制卡等; 三、实验步骤 1、系统实验的线路连接 磁悬浮小球控制器与计算机、磁悬浮小球实验装置全部采用标准线连接,电源部分有标准电源线,考虑实验设备的使用便利,在试验前,实验装置的线路已经连接完毕。 2、启动实验装置 通电之前,请详细检察电源等连线是否正确,确认无误后,可接通控制器电源,随后起动计算机和控制器,在编程和仿真情况下,不要启动控制器。 3、系统实验的参数调试 根据仿真的数据及控制规则进行参数调试(根轨迹、频率、PID等),直到获得较理想参数为止。 四、实验要求

1、学生上机前要求 学生在实际上机调试之前,必须用自己的计算机,对系统的仿真全部做完,并且经过老师的检查许可后,才能申请上机调试。 学生必须交实验报告后才能上机调试。 2、学生上机要求 上机的同学要按照要求进行实验,不得有违反操作规程的现象,严格遵守实验室的有关规定。 五、系统建模思考题 1、系统模型线性化处理是否合理,写出推理过程? 答:磁悬浮系统的模型可描述如下 ()()()()()2221d x t m F i,x mg dt i F i,x K x di U t Ri t L dt ?=+??????=? ?????=+??? (1) 又有系统平衡的边界条件如下 ()0F i,x mg += (2) 由级数理论,将非线性函数展开为泰勒级数,在平衡点()00,i x 对系统进行线性化处理。对(1)式作泰勒级数展开并省略高阶项可得 0000(,)(,)(-)(-)i x F i x F i x K i i K x x =++ (3) 又由(2)式可知,对2i F(i,x )K()x =求偏导数得 2000000320022x x i i Ki Ki K F (i ,x )K F(i ,x )x x ==-==, (4) 则由(1)式可得 22000022300 22(-)(-)i x Ki Ki d x m K i i K x x i x dt x x =+=- (5) 对(5)进行拉普拉斯变换并带入编辑方程可得系统的开环传递函数 2001x(s )-i(s )a s -b = (6) 定义系统对象的输入量为功率放大器的输入电压也即控制电压in U ,系

磁悬浮系统的PID控制

磁悬浮系统的PID控制

本科毕业设计(论文)题目: 磁悬浮系统的PID控制 姓名: 学号: 专业: 指导教师: 职称: 日期: 华科学院

摘要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点,在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。 本设计毕业设计在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上,建立其数学模型,并以此为研究对象,设计了PID控制器,确定控制方案,运用MATLAB软件进行仿真研究,得出较好的控制参数。最后,本文对以后研究工作的重点进行了思考,提出了自己的见解。 关键词:磁悬浮系统控制器MATLAB软件PID控制

Abstract Magnetic suspension technology, which has a series of advantages such as contact-free, no friction, no wear, no need of lubrication and long life expectancy, is widely concerned and adopted in high-tech areas such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life science.On the basis of analyzing of magnetic suspension system’s structure and working principle, its system mathematical model was established, this thesis describe PID controller designed and get control scheme. It get the better control parmeters by MATLAB software simulation studies.The key research works for further study are proposed at last. Key Word:Magnetic Levitation Ball System Digital Controller MATLAB PID Control

浅谈磁悬浮技术及控制方法

浅谈磁悬浮技术及控制方法 11 浅谈磁悬浮技术 浅谈磁悬浮技术 及控制方法 及控制方法 演讲者孙振刚 时间com 电气工程教研室 电气工程教研室 2012-09-17 1 1 22

目录 目录 磁悬浮技术概述 磁悬浮技术概述 磁悬浮基本概念 磁悬浮基本概念 材料磁特性 材料磁特性 磁悬浮类别 磁悬浮类别 实例分析磁悬浮列车 实例分析磁悬浮列车

电磁悬浮系统的控制方法 电磁悬浮系统的控制方法 单点悬浮系统 单点悬浮系统 多点悬浮系统 多点悬浮系统 2012-09-17 2 2 33 一磁悬浮技术概述 一磁悬浮技术概述 1 基本概念 利用磁场力使物体沿着一个轴或几个轴保持一定

位置的技术措施 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 一体化高新技术 2012-09-17 3 3 44 2 材料磁特性 顺磁性 抗磁性 磁畴未磁化磁畴 磁化 2012-09-17 4 4

55 抗磁性 抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消 合磁矩为零但是当受到外加磁场作用时电子 轨道运动会发生变化而且在与外加磁场的相反 方向产生很小的合磁矩这样表示物质磁性的磁 化率便成为很小的负数量抗磁性是物质抗拒 外磁场的趋向因此会被磁场排斥所有物质 都具有抗磁性可是对于具有顺磁性的物质 顺磁性通常比较显著遮掩了抗磁性只有纯抗 磁性物质才能明显地被观测到抗磁性当外磁场 存在时抗磁性才会表现出来 2012-09-17 5

5 66 抗磁性 具有抗磁性的反磁性物质是Faraday在Earnshaw 提出理论之后几年发现的 1872年时Lord Kelvin指出反磁性物质不需要遵守Earnshaw的 理论因此反磁性物质可以在静磁场里浮起来 然而由基本的解释得知所有的物质都有反磁 性只是其磁性很小因此一直到1939年 Braunbek才成功的利用了足够强的磁场将小块 的石墨及铋磁浮了起来 2012-09-17 6 6

磁悬浮小球matlab

磁悬浮系统建模及其PID控制器设计Magnetic levitation system based on PID controller simulation 摘要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点,在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。 随着磁悬浮技术的广泛应用,对磁悬浮系统的控制已成为首要问题。本设计以PID控制为原理,设计出PID控制器对磁悬浮系统进行控制。 在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上,建立磁悬浮控制系统的数学模型,并以此为研究对象,设计了PID控制器,确定控制方案,运用MATLAB软件进行仿真,得出较好的控制参数,并对磁悬浮控制系统进行实时控制,验证控制参数。最后,本设计对以后研究工作的重点进行了思考,提出了自己的见解。 PID控制器自产生以来,一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器。目前大多数工业控制器都是PID控制器或其改进型。尽管在控制领域,各种新型控制器不断涌现,但PID控制器还是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点,处于主导地位。 关键字:磁悬浮系统;PID控制器;MATLAB仿真 设计报告内容 1. 简述磁悬浮球系统的工作原理; 2. 依据电磁等相关物理定理,列写磁悬浮系统的运动方程;

3. 根据磁悬浮系统的运动方程搭建被控对象在Simulink环境下的仿真模型; 4. 结合单位反馈控制系统的控制原理,为被控对象设计PID控制器。 5. 分析综述比例P、积分I、微分D三个调节参数对系统控制性能的影响。 设计报告正文 1. 简述磁悬浮球系统的工作原理; 磁悬浮控制系统由铁心、线圈、光位移传感器、控制器、功率放大器和被控对象(钢球)等元器件组成。它是一个典型的吸浮式悬浮系统。系统开环结构如图4所示。 图2系统开环结构图 电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力,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相平衡,钢球就可以悬浮于空中而处于平衡状态。但是这种平衡是一种不稳定平衡,这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力的大小与它们之间的距离)(t x成反比,只要平衡状态稍微受到扰动(如:加在电磁铁线圈上的电压产生脉动、周围的振动、风等),就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住,因此必须对系统实现闭环控制。由电涡流位移传感器检测钢球与电磁铁之间的

磁悬浮原理及控制

magnetic suspension technique 本文介绍磁悬浮主轴系统的组成及工作原理,提出了一种在常规PID基础上的智能PID控制器的新型数字控制器设计。其核心部件是TI公司的TMS320LF2407A,设计了五自由度磁悬浮主轴系统的硬件总体框图。用C2000作为开发平台,设计在常规PID基础上的智能PID控制器。理论分析结果表明:这种智能PID控制器能实现更好控制效果,达到更高的控制精度要求。1 引言 主动磁悬浮轴承(AMB,以下简称磁轴承)是集众多门学科于一体的,最能体现机电一体化的产品。磁悬浮轴承与传统的轴承相比具有以下优点:无接触、无摩擦、高速度、高精度。传统轴承使用时间长后,磨损严重,必须更换,对油润滑的轴承使用寿命会延长、但时间久了不可避免会出现漏油情况,对环境造成影响,这一点对磁悬浮轴承就可以避免,它可以说是一种环保型的产品。而且磁轴承不仅具有研究意义,还具有很广阔的应用空间:航空航天、交通、医疗、机械加工等领域。国外已有不少应用实例。 磁悬浮轴承系统是由以下五部分组成:控制器、转子、电磁铁、传感器和功率放大器。其中最为关键的部件就是控制器。控制器的性能基本上决定了整个磁悬浮轴承系统的性能。控制器的控制规律决定了磁轴承系统的动态性能以及刚度、阻尼和稳定性。控制器又分为两种:模拟控制器和数字控制器。虽然国内目前广泛采用的模拟控制器虽然在一定程度上满足了系统的稳定性,但模拟控制器与数字控制器相比有以下不足:(一)调节不方便、(二)难以实现复杂的控制、(三)不能同时实现两个及两个以上自由度的控制、(四)互换性差,即不同的磁悬浮轴承必须有相对应的控制器、(五)功耗大、体积大等。磁轴承要得到广泛的应用,模拟控制器的在线调节性能差不能不说是其原因之一,因此,数字化方向是磁轴承的发展趋势。同时,要实现磁轴承系统的智能化,显然模拟控制器是难以满足这方面的要求。因此从提高磁轴承性能、可靠性、增强控制器的柔性和减小体积、功耗和今后往网络化、智能化方向发展等角度,必须实现控制器数字化。近三十年来控制理论得到飞速发展并取得了广泛应用。磁悬浮轴承控制器的控制规律研究在近些年也取得了显著的进展,目前国外涉及到的控制规律有:常规PID和PD控制、自适应控制、H∞控制等,国内涉及到的控制规律主要是常规PID及PD控制和H∞控制,但H∞控制成功应用于磁悬浮轴承系统中的相关信息还未见报道。 从当前国内外发展情况来看,国外的研究状况和产品化方面都领先国内很多年。国外已有专门的磁悬浮轴承公司和磁悬浮研究中心从事这方面的研发和应用方面工作,如SKF公司、NASA等。其中SKF公司的磁轴承的控制器所用控制规律为自适应控制,其产品适用的范围:承载力50~2500N、转速1,800~100,000r/min,工作温度低于220℃。NASA是美国航天局,他们开展磁悬浮研究已有几十年,主要用于航天上,研究领域包括火箭发动机和磁悬浮轨道推进系统(2002年9月已完成在磁悬浮轨道上加2g加速度下可使火箭的初始发射速度达到643~965km/h 。目前国内还没有一家磁悬浮轴承公司,要赶上国外磁悬浮轴承发展水平,必须加大人力、物力等方面的投入。国内对磁悬浮轴承控制器的控制规律研究起步较晚,当前使用较多的都是常规PID和PD控制,实际电路中也有使用PIDD的。控制精度相对来说不是很高,而且每个系统都必须对应相应的KP,KI,KD,调节起来很麻烦,使用者同样会觉得很不方便。为了使磁悬浮轴承产品化,必须解决上述问题,任何人都能很方便的使用,必须把它做成象“傻瓜型设备一样的产品”,这就得首先解决控制器的问题。解决此问题就是使控制器智能化。智能化的内容包括硬件的智能化和软件的智能化。本文仅讨论控制器在控制算法方面的智能化问题以及实现手段,可为最终解决磁悬浮轴承智能化奠定

磁悬浮系统建模及其PID控制器设计

《Matlab仿真技术》 设计报告 题目磁悬浮系统建模及其PID控制器设计 专业班级电气工程及其自动化 11**班 学号 201110710247 学生姓名 ** 指导教师 ** 学院名称电气信息工程学院 完成日期: 2014 年 5 月 7 日

磁悬浮系统建模及其PID控制器设计 Magnetic levitation system based on PID controller simulation 摘要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点,在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。 随着磁悬浮技术的广泛应用,对磁悬浮系统的控制已成为首要问题。本设计以PID 控制为原理,设计出PID控制器对磁悬浮系统进行控制。 在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上,建立磁悬浮控制系统的数学模型,并以此为研究对象,设计了PID控制器,确定控制方案,运用MATLAB软件进行仿真,得出较好的控制参数,并对磁悬浮控制系统进行实时控制,验证控制参数。最后,本设计对以后研究工作的重点进行了思考,提出了自己的见解。 PID控制器自产生以来,一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器。目前大多数工业控制器都是PID控制器或其改进型。尽管在控制领域,各种新型控制器不断涌现,但PID控制器还是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点,处于主导地位。 关键字:磁悬浮系统;PID控制器;MATLAB仿真

一、磁悬浮技术简介 1.概述: 磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态,磁悬浮看起来简单,但是具体磁悬浮悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。由于磁悬浮技术原理是集电磁学、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高新技术。伴随着电子技术、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转子动力学的进一步的研究,磁悬浮随之解开了其神秘一方面。 1900年初,美国,法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营的若干猜想--也就是磁悬浮的早期模型。并列出了无摩擦阻力的磁悬浮列车使用的可能性。然而,当时由于科学技术以及材料局限性磁悬浮列车只处于猜想阶段,未提出一个切实可行的办法来实现这一目标。 1842年,英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮的概念,同时指出:单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。 1934年,德国的赫尔曼·肯佩尔申请了磁悬浮列车这一的专利。 在20世纪70、80年代,磁悬浮列车系统继续在德国蒂森亨舍尔测试和实施运行。德国开始命名这套磁悬浮系统为“磁悬浮”。 1966年,美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统。 1970年代以后,随着世界工业化国家经济实力的不断加强,为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要,德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。 2009年时,国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车,而应用最广泛的是磁悬浮轴承。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。 2. 磁悬浮技术的应用及展望 20世纪60年代,世界上出现了3个载人的气垫车试验系统,它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。随着技术的发展,特别是固体电子学的出现,使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧,这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年,德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车模型,以后命名为TR01型,该车在1km 轨道上的时速达165km,这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。在制造磁悬浮列车的

磁悬浮实验报告

开放性试验: 《磁悬浮原理实验仪制作及PID控制》 试验报告 实验内容:学生通过磁悬浮有关知识的学习,根据已有的试验模型,设计出磁悬浮实验仪器,并进行制作,进而在计算机上用PID技术进行调节和控制。 难点:PID控制程序的编写及调试。 创新点:该实验以机械学院数控所得科研成果为依托,以一种新颖的方式,用磁悬浮小球直观的展示了PID控制理论的应用。该仪器构造简单,成本低廉。此实验综合应用了电磁场、计算机、机械控制等相关知识,具有一定的研究创新性特点。该仪器有望成为中学物理实验仪器,和高校PID 控制实验仪器。 关键问题 1.悬浮线圈的优化设计 2.磁悬浮小球系统模型 3.磁悬浮小球的PID控制 电磁绕组优化设计 小球质量:钢 小球质量:15~20g 小球直径:15mm 悬浮高度:3mm 要求:根据悬浮高度、小球大小、小球重量设计悬浮绕组

绕组铁芯尺寸、线圈匝数、额定电流、线径。 电磁绕组优化设计: 由磁路的基尔霍夫定律、毕奥-萨格尔定律和能量守恒定律,可得电磁吸力为: 式中:μ0——空气磁导率,4πX10-7H/m ; A ——铁芯的极面积,单位m2; N ——电磁铁线圈匝数; z ——小球质心到电磁铁磁极表面的瞬时气隙,单位m ; i ——电磁铁绕组中的瞬时电流,单位A 。 功率放大器中放大元器件的最大允许电压为15V 。为了降低功率放大器件上的压力差,减少功率放大器件的发热,设定悬浮绕组线圈电压该值为12V 。 约束条件:U =12V 电流、电压与电阻的关系 电阻: L ——漆包线的总长度/m S ——漆包线的横截面积/m2 d ——线径的大小/m ε是漆包线线的电阻率,查表可知: ε=1.5*1.75*e-8,单位:Ω*m 根据线圈的结构,可以得出漆包线的总长度为: 2 202??? ??-=z i AN F μU i R =L R S ε=2 14S d π=

磁悬浮球控制系统的仿真研究

磁悬浮球控制系统的仿真研究 王玲玲,王宏,梁勇 (海军航空工程学院,山东烟台 264000) 作者简介:王玲玲(1984—),女,硕士,讲师,主要从事控制技术研究。 本文引用格式:王玲玲,王宏,梁勇.磁悬浮球控制系统的仿真研究[J].兵器装备工程学报,2017(4):122-126. Citation:format:WANG Ling-ling, WANG Hong, LIANG Yong.Simulation and Research of Magnetic Levitation Ball Control System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):122-126. 摘要:针对磁悬浮球系统的本质不稳定性,设计PID控制算法实现系统的稳定控制。建立磁悬浮球系统的动力学模型,并对其中的非线性部分进行平衡点处的线性化,采用根轨迹校正设计超前滞后控制器。最后采用PID控制设计,并使用根轨迹校正中零极点对系统性能影响的思想去调整PID参数,使系统的稳定性、动态性能和稳态性能满足要求。 关键词:磁悬浮球系统;PID;根轨迹法;校正 磁悬浮可以用于实现各种机械结构的高速、无摩擦运转,如高速磁悬浮列车、高速磁悬浮电机、磁悬浮轴承等。尽管磁悬浮的应用领域繁多,系统形式和结构各不相同,但究其本质都具有本质非线性、不确定性、开环不确定性等特征。这些特征增加了对其控制的难度,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。本文针对磁悬浮球系统,研究其稳定控制,并使其性能指标满足要求。 1 磁悬浮球控制系统的基本原理 磁悬浮球控制系统主要由铁芯、线圈、光电源、位置传感器、放大及补偿装置、数字控制器和控制对象钢球等部件组成[1],如图1所示。 当电磁铁上的线圈绕组通电时,位于磁场中的刚体受到电磁力的吸引作用。当产生的电磁力与球体的重力相等时,球体悬浮于空中,处于不稳定的平衡状态,当它受到外界扰动时,易失去平衡。因此,为了使系统稳定,就必须加上反馈环节,实现闭环控制,并设计控制算法,使稳定后的性能满足要求。

磁悬浮系统建模及其PID控制器设计

《Matlab仿真技术》 设计报告 题目磁悬浮系统建模及其PID控制器设计专业班级电气工程及其自动化11**班 学号 2 学生姓名 ** 指导教师** 学院名称电气信息工程学院 完成日期: 2014年 5 月 7 日

磁悬浮系统建模及其PID控制器设计Magnetic levitation system base don PID controller simulation 摘要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点,在能源、交通、航空航天、机械工业与生命科学等高科技领域有着广泛得应用背景。 随着磁悬浮技术得广泛应用,对磁悬浮系统得控制已成为首要问题。本设计以PID 控制为原理,设计出PID控制器对磁悬浮系统进行控制。 在分析磁悬浮系统构成及工作原理得基础上,建立磁悬浮控制系统得数学模型,并以此为研究对象,设计了PID控制器,确定控制方案,运用MATLAB软件进行仿真,得出较好得控制参数,并对磁悬浮控制系统进行实时控制,验证控制参数。最后,本设计对以后研究工作得重点进行了思考,提出了自己得见解。 PID控制器自产生以来,一直就是工业生产过程中应用最广、也就是最成熟得控制器。目前大多数工业控制器都就是PID控制器或其改进型。尽管在控制领域,各种新型控制器不断涌现,但PID控制器还就是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点,处于主导地位。 关键字:磁悬浮系统;PID控制器;MATLAB仿真 一、磁悬浮技术简介 1、概述: 磁悬浮就是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮得平衡状态,磁悬浮瞧起来简单,但就是具体磁悬浮悬浮特性得实现却经历了一个漫长得岁月。由于磁悬浮技术原理就是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体得典型得机电一体化高新技术。伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料得发展与转子动力学得进一步得研究,磁悬浮随之解开了其神秘一方面。 1900年初,美国,法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营得若干猜想--也就就是磁悬浮得早期模型。并列出了无摩擦阻力得磁悬浮列车使用得可能性。然而,当时由于科学技术以及材料局限性磁悬浮列车只处于猜想阶段,未提出一个切实可行得办法来实现这一目标。 1842年,英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮得概念,同时指出:单靠永久磁铁就是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定得悬浮状态。

PID控制器设计磁悬浮小球控制系统

MATLAB课程设计 课程名称:采用PID控制器设计磁悬浮小球控制系统 学院:电气工程学院 学号:P101813409 姓名:徐敏敏 班级:10级自动化一班 指导教师:杨成慧老师

目录 摘要........................................................1 1.引言.........................................................2 2.系统分析与设计..................................... 5 2.1系统建模及仿真..............................................5 2.2建立磁悬浮小球系统框图....................................7 2.3 PID控制系统..........................................8 2.4 仿真结果分析..............................................13 2.5 总结.....................................................13 2.6 答谢.....................................................13 3.参考文献.......................................................14

摘要: 本文通过对一个磁悬浮小球的分析,简单的描述了磁悬浮列车的原理。控制要求通过调节电流使小球的位置始终保持在平衡位置。通过对磁悬浮小球系统进行数学建模,求出它的系统传递函数,采用PID算法设计调节器,对小球的稳定性进行了分析和仿真,在MATLAB平台仿真获得适当的PID参数范围,进行频域分析,使得磁悬浮小球系统处在平衡状态,在仿真过程中对PI,PD,及PID三种方式进行了比较和分析,对其加入扰动信号,即正弦扰动信号,观察输出波形,对扰动进行分析。本文通过对磁悬浮小球系统的分析,体现了MATLAB的强大功能,突出了它在运算以及作图仿真方面的优势。 关键字: MATLAB, PID控制器, 磁悬浮小球系统,稳定性 1.引言 磁悬浮列车的原理并不深奥。它是运用磁铁“同性相斥,异性相吸”的性质,使磁铁具有抗拒地心引力的能力,即“磁性悬浮”。将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上,使列车完全脱离轨道而悬浮行驶,成为“无轮”列车,时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”,亦称之为“磁垫车”。由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式,故磁悬浮列车也有两种相应的形式:一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车,它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力,使车体悬浮运行的铁路;另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车,它是在车体底部及两侧倒

基于模拟电路的磁悬浮控制系统

基于模拟电路的磁悬浮控制系统 摘要:本文首先简要地介绍磁浮轴承的发展历程和国内外研究、应用状况,接着利用电磁学、电子学和控制理论对磁悬浮的原理进行了分析,建立了系统的数学模型。对电路参数进行分析,设计了基于模拟电路的磁悬浮控制系统。该系统采用电磁永磁混合支持,提高了系统稳定性并降低了系统功耗。 关键词:混合磁悬浮,霍尔传感器 0 引言 人类希望利用磁场力对物体进行无接触支撑的想法由来已久。20世纪初,科学家首次在实验室利用电流的磁效应实现了物体在空中自由悬浮。然而由于磁悬浮技术是一门涉及多种学科的综合性技术,其发展受到了多方面的制约。随着近几十年电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论、新型电磁材料及转子动力学的发展,磁悬浮技术才得到了长足的发展。特别是进入上世纪80年代,超导技术首先应用于磁悬浮。超导技术与磁悬浮技术的结合,新材料,新工艺,新器件的出现以及现代控制技术的发展,使电磁悬浮技术趋于成熟,磁悬浮技术有精度高、非接触和消耗能量少等优点。在能源紧张的今天,研究磁悬浮系统具有重要的实际意义。磁悬浮技术不仅可以应用于磁悬浮列车,而且在磁悬浮轴承、磁悬浮飞轮储能、航天器与电磁炮的磁悬浮发射、磁悬浮精密平台、磁悬浮冶炼等方面也有广泛应用。磁悬浮技术有着广阔的商业前景,适合商业应用。例如,磁悬浮可以用于广告牌悬浮、地球仪悬浮,科技展览、沙盘展示(空中楼阁)、悬空高档礼品等。因此,磁悬浮是一种能带动众多高新技术发展的具有广泛前景的应用技术。基于模拟电路的磁悬浮控制系统可以用来研究电磁式磁悬浮固有的开环不稳定性和非线性性。 1 磁悬浮系统的组成及原理分析 磁悬浮旋转装置主要由永磁体、铁芯、线圈、磁场传感器、功率放大器和控制器等组成。其结构如图a所示

(完整版)基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计毕业设计

基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计 摘要 随着越来越多的磁悬浮技术应用到现实生活中的各个领域,磁悬浮这个在几年前还是很陌生的一个词现在已经广为人知。磁悬浮以悬浮力产生的原理分类可以分为超导磁悬浮和常导磁悬浮。磁悬浮的控制系统是一个很复杂的问题。本文 研究的重点就是这两种磁悬浮的控制问题。 超导磁悬浮是利用处于超导状态下的超导体具有斥磁力的原理产生的。超导磁悬浮的悬浮物体就是超导体本身,所以超导磁悬浮的控制重点就落在了超导体上。本文从介绍超导磁悬浮的基本应用入手,逐步深入地介绍超导体的基本物理性质,然后介绍超导磁悬浮系统的控制方法、过程和原理。 与超导磁悬浮相比,常导磁悬浮的应用就更为广泛,因为常导磁悬浮的实现过程要简单得多。常导磁悬浮可以分为应用电磁铁的磁悬

浮和引用非电磁性磁铁(稀土永磁铁、普通磁铁等)的磁悬浮。但是由于电磁铁便于控制和利用,所以利用电磁铁的磁悬浮义勇更为广泛。本文在常导磁悬浮方面的研究是从一个实例入手,分析电磁铁式磁悬浮的原理,从而进一步研究电磁铁式磁悬浮的控制方法、过程和原理。 在本文的最后,我利用在大学里所学的知识,结合本文的研究重点——磁悬浮装置的控制问题,做出了一个简单的电磁悬浮装置。这个悬浮装置的原理是利用对电磁铁电流的控制来实现一个铁球在空中的来回反复运动,达到视觉上的悬浮效果。这虽然与实际的电磁铁悬浮控制方原理不同,但是利用这简单手段也能够达到相同的目的。这个实例给了我们一个启示:简单的演示实验装置也能够说明磁悬浮列车等高新技术的工作原理,磁悬浮并不是遥不可及的。 关键词:常导磁悬浮,超导磁悬浮,磁悬浮的控制,演示实验装置,磁悬浮列车

磁悬浮控制系统设计——自动控制原理大作业

原题 原题图片 物理背景描述 对于上图所示的磁悬浮系统,如果钢球在参考位置附近有很小的位移时,影像探测器上的电压e(伏特)由球的位移x(米)决定,即e=100x。 作用在钢球上向上的力f(牛顿)由电流i(安培)以及位移共同决定,其近似关系为f= 0.5i+20x 功率放大器为压流转换装置,其输入输出关系为i=u+V0。 钢球质量m=20(克),地球表面的重力加速度为g=9.8(牛顿/千克)。 其中V0为恒定偏置电压,以保持钢球处于平衡状态时的位移x=0。 问题的描述 以电压u为控制信号,位移x为输出信号,建立系统的传递函数;以影像探测器输出电压e为反馈信号,并给定参考位移(输入)信号r,构成闭环负反馈系统。试设计适当的控制器,使得闭环系统满足下列性能指标: 跟踪阶跃信号的稳态误差为零,跟踪单位斜坡信号的稳态误差小于0.01; 单位阶跃响应的超调量不大于30%,过渡过程时间不大于1秒(?=2%)。

求控制器的传递函数。 问题推导 1.当x=0,r=0时: e=0,u=0; i=V0; f=0.5V0; 0.5V0?mg=m d 2x dt2 =0; mg=0.5V0 2.系统闭环传递函数: u=r?e; i=r?e+V0=r+V0?100x; f=0.5r+0.5V0?50x+20x=0.5r+0.5V0?30x; F=f?mg=0.5r+0.5V0?30x?mg=m d 2x dt2 ; m d2x dt2 +30x=0.5r+0.5V0?mg; (mg=0.5r) m d2x dt2 +30x=0.5r;取拉氏变换 G(s)=x(s) r(s)=0.5 ms2+30 ; (m=0.02kg) G(s)=25 s2+1500 3.系统开环传递函数 前向通道传递函数: F=f?mg=m d2x dt2 ; 20x+0.5i?mg=m d2x dt2 ; 20x+0.5u+0.5V0?mg=m d2x dt2 ; (mg=0.5r) m d2x dt2 ?20x=0.5r; 取拉氏变换 G(s)=x(s) r(s)=0.5 ms?20 ; (m=0.02kg) G(s)=25 s2?1000开环传递函数:

磁悬浮设计文档

项目设计 主题:基于MSP430F5438的交流磁悬浮控制器的设计 完成时间:2013.11.14 学生姓名:刘天月 指导教师:王庐山

○目○录 一、引言 (1) 二、MSP430F5438单片机简介 (1) 三、磁悬浮控制系统结构框图 (2) 四、系统功能实现分析 (2) 五、程序功能说明 (3) 六、程序清单(附) (5)

一、引言 磁悬浮是根据电磁感应原理和楞次定律,由交流电流通过线圈产生交变磁场,交变磁场使闭合的导体产生感生电流,感生电流的方向,总是使自己的磁场阻碍原来磁场的变化。因此线圈产生的磁场和感生电流的磁场是相斥的,若斥力超过重力,可观察到磁悬浮现象。交流磁悬浮控制器的设计采用MSP430F5438A单片机控制,由检测机构反馈高度电信号给单片机,再由MSP430F5438A单片机产生一路触发脉冲信号,控制交流调压模块电路的输出,从而实现对线圈高度的闭环控制。 二、MSP430F5438单片机简介 MSP430系列单片机是美国德州仪器公司研发的一款16位超低功耗单片机[3],因为其具有精简指令集的混合信号处理器,所以称之为混合信号处理器。该系列单片机具有如下特点: ◆处理能力强 MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址)、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 ◆运算速度快 MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下,实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如 FFT 等)。 ◆超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先,MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时,芯片的电流最低会在165μA左右,RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1μA。 其次,独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统:基本时钟系统、锁频环(FLL 和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器(32768Hz),也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时开启的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。在实时时钟模式下,可达2.5μA ,在RAM 保持模式下,最低可达0.1μA 。 ◆片内资源丰富 MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A0(Timer_A0)、定时器A1(Timer_A1)、定时器B0(Timer_B0)、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定时器(Basic Timer)、实时时钟(RTC)和USB控制器等若干外围模块的不同组合。

磁悬浮演示实验

材料物理6-2组实验报告 组员:张安玉、高峰、王忠鹏、单飞、王忠鹏、蔡安棋 材料物理课接近尾声了,对这门课最大的感触就是演示实验。在这个活动里,一方面可以加深拓展对于某一方面知识的理解,一方面考验我们的实践能力。 1.永磁体磁悬浮 【实验目的】 利用磁性排斥力达到漂浮物体的目的。 【实验原理】 观点一:两块磁铁异性相吸,同性相斥,自然就能悬浮起来了。 观点二:不旋转的话不能稳定的飘在空中。但是正如一个旋转的陀螺不会倒一样,旋转的磁陀螺就能够稳定地飘在大磁铁上空了。物理学家说,陀螺这种不会倒的性质是由于角动量守恒。 根据恩绍定律证明了,静电力,静磁力,引力(牛顿定律所描述的引力)的任意组合是不能让一个物体处于稳定平衡状态的。 什么是稳定平衡状态?一个小球处于碗底就是稳定平衡状态,即无论你朝哪个方向轻轻地推它,它都能回到碗底,物理学家说,这是因为小球的重力势能在碗底有一个最小值。物体喜欢呆在势能最低的地方,俗话说,水往低处流。有稳定的平衡那就有不稳定平衡。什么是不稳定平衡呢?把一个小球放在一个大球顶上就是一个例子。这种情况下,你稍微对小球吹一口气它就出去,回不来了。物理学家说,这是因为小球的重力势能在球顶上是最大值,它呆在那里不安分。除了这两种情况外,还有一种比较特殊的状态。如果我们把一个小球放在下面这个马鞍形的体育馆顶上的正中央,会发生什么情况呢?情况是我们左右方向推这个小球它还能回到中央来,前后推它则回不来了。物理学家说,这个小球的重力势能有一个“鞍点”,即它在一个方向是稳定平衡,另一个方向是不稳定平衡。 一百六十多年前,恩绍先生正是证明了所有静电场,静磁场和引力场对一个带电体或者一块磁铁所产生的势能都是这种马鞍形的。即靠这三种力,无法将一块小磁铁悬浮在空中,它总会朝某一个方向溜走。 旋转的陀螺由于角动量守恒,的确能够保持直立不倒,但是光靠这一点怎么能够让它在一个马鞍状的势能里保持稳定呢?试想我们在那个马鞍形的屋顶上放一个旋转的陀螺,你往

对磁悬浮列车运行控制系统的思考

交通运输学院运输1302班11252086 丁耀宗

对磁悬浮列车运行控制系统的思考 ——《列车运行控制系统》课程考察报告 11252086 丁耀宗1综述 高速磁悬浮列车作为一种新型交通工具,以其快捷、安全、舒适、无磨擦、低噪声、低能耗、易维护、无污染等优点吸引着人们的眼球。磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中,行走时不同于其他列车需要接触地面,因此只受来自空气的阻力。磁悬浮列车的速度可达每小时400公里以上,比轮轨高速列车的380多公里还要快。20世纪末以来,德国、发达国家以及中国都相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。我国第一辆磁悬浮列车2003年1月开始在上海运行。磁悬浮列车的普及应用,除了硬件技术问题,首要的就是解决其控制系统的问题。 高速磁悬浮运行控制系统就如同人的大脑,负责安排整个交通系统安全可靠有效的运转,使磁悬浮列车的特点充分展现出来。目前,仅日本和德国对高速磁悬浮运行控制系统的研究技术比较成熟。 2 磁悬浮列车性能简介 高速磁悬浮列车的推力是利用交流同步直线电机(LSM)的原理产生的,该电机与其对应的交流同步旋转电机结村、工作原理

基本相似。它的转子是置于列车底部的直流激励的磁极,定子为沿着线路轨道铺设的三相定子绕组,设置在地面上的变频设备在线路上可分段给定子绕组供电。当三相绕组通入三相对称正弦电流时。在气隙中便形成正弦分布并以同步速度平移的行波磁场,当磁场足够大时则吸引转子而使列车以同步速度行驶。只要安装在路边的变电所内的变频设备把电馈入长定子电缆中,在线路上就会产生使列车移动的磁场,而且频率越高,移动的速度也越大。 由于一个变电所的供电能力有限,因此整个线路被分成数个供电分区,每个分区对应一个变电所,一个变电所只能给一辆列车供电。为提高系统的效率和功率因数,供电分区内的电缆又被分为一个个的小分区,只向有车运行的那个小分区供电,这样也可减小能耗,节约能源,但需要分区转换装置。供电分区供电的模式对磁悬浮列车运行控制也产生了直接的影响。 3磁悬浮列车控制系统特点需求分析 磁悬浮运行控制系统的基本任务和传统轮轨列车类似,就是要根据运行计划,办理列车运行进路,保证进路正确安全;实时控制和监督列车运行速度,防止列车超速;调整列车追踪问隔,保证运行安全,提高运输效率;提供旅客服务信息,提高服务质量。这些要求在磁悬浮交通中需要由地面的运行控制系统自动完成,而在轮轨交通中这些功能主要起辅助司机驾驶的作用。 基于磁悬浮列车的上述特点和工作原理,其列车运行控制系统必须满足以下几点基本要求:

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