磁悬浮根轨迹控制实验

自动控制实验第三部分自动控制系统演示设计实验自动控制系统的计算机仿真是分析、研究、设计自动控制系统的一种快速而经济的辅助手段，是从事自动控制研究与工程设计技术必须掌握的技术。计算机仿真实验开设的目的在于使学生掌握使用MATLAB语言编写控制系统仿真程序、用SIMULINK模块进行控制系统仿真的方法。在进行仿真实验前，必须熟悉MATLAB及SIMULINK编程，相关内容在附录II中进行了介绍。实验七磁悬浮系统根轨迹校正和仿真-、实验目的（1）了解磁悬浮系统的组成以及系统建模的过程；（2）学习根轨迹法设计控制器的原理和方法；（3）学习用MATLAB&SIMULINK对磁悬浮系统建立模型的方法，并仿真实现;（4）学习用MATLAB实现磁悬浮控制器的设计，并仿真实现；（5）了解根轨迹校正实时控制方法和过程。二、实验设备（1）磁悬浮实验装置（2）计算机（3）软件要求：Matlab6.5以上版本软件，VC++6.0软件，板卡自带DeviceManager，PCL1711驱动程序，固高磁悬浮实时控制软件。三、实验原理1、磁悬浮系统组成磁悬浮实验装置主要由LED光源、电磁铁、光电位置传感器、电源、放大及补偿装置、数据采集卡和控制对象（钢球）等元件组成。它是一个典型的吸浮式悬浮系统。系统组成见图7-1。图7-1磁悬浮实验装置系统组成部分图7-2磁悬浮实验系统结构图电磁铁绕组中通过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。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和变化。电磁铁中控制电流的大小作为磁悬浮控制对象的输入量。2、实验前连线准备1）检查磁悬浮本体右侧船型电源开关，打到关闭OFF状态。2）进行数字量控制实验时，开关打到Dig档，用配套电缆将插在PC中的数据采集卡和磁悬浮实验本体连接起来。3）进行模拟量控制实验时，开关打到Ana档，用配套电缆将模拟量控制模块和磁悬浮实验本体连接起来。3、磁悬浮系统模型为了分析或设计一个自动控制系统，首先需要建立其数学模型。即描述系统运动规律的数学方程。一个理想化的物理系统称作物理模型。物理模型的数学表达式称作数学模型。磁悬浮系统在建模前可进行如下假设：磁通，磁通全部通过电磁铁的外部磁极气隙；气隙处均匀分布，忽略边缘效应；小球和电磁铁铁芯的磁阻，即认为铁芯和小球的磁阻为零。则电磁铁与小球所组成的磁路的磁阻主要集中在两者之间的气隙上；所受的电磁力集中在中心点，且其中心点与质心重合。3.1动力学方程假设忽略小球受到的其他干扰力(风力、电网突变产生的力等)，则受控对象小球在此系统中只受电磁吸力尸和自身的重力mg。球在竖直方向的动力学方程可以如下描述：d2x(t)m=F(i,x)+mgdt2式中：x——小球质心与电磁铁磁极之间的气隙(以磁极面为零点)，单位：mm小球的质量，单位：KgF(i,x)---电磁吸力，单位：Ng重力加速度，单位：m/s23.2电磁力模型在图7.2磁悬浮实验系统结构图中，小球到电磁铁磁极的气隙为x。由上面假设可知磁路的磁阻主要集中在电磁铁磁极和小球所组成的气隙上。毕奥萨伐尔定律告诉我们，在空间任意一点所产生的磁感应强度都与回路中的电流强度成正比，电磁力公式为：F(i,x)=K(-)2xK为电磁系数：K=-^0AN2Kf4式中：曰0空气磁导率，p0=4nx\0-7H/m；KfA-----磁通流过小球截面的导磁面积；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；i电磁铁绕组中的瞬时电流；由电磁力公式可知电磁吸力F(i,x)与气隙x是非线性的反比关系，这也正是磁悬浮系统不稳定的根源3.3电磁铁中电压与电流的模型3.4功率放大器模型4、四、实验报告s3+12s2+44s+481、系统传递函数为G(s)=s4+16S3+86S2+176S+105用MATLAB程序建立其tf函数模型