摘  要： 介紹了磁懸浮球系統的結構和工作原理，建立了磁懸浮系統的數學模型并進行線性化處理；設計PID控制器，在Simulink環境下搭建控制系統的模型進行仿真研究，并在固高GML1001系列磁懸浮裝置上進行實時控制實驗。實驗結果表明，采用PID控制，能使鋼球快速地懸浮在期望位置，并且有一定的抗干擾能力。
關鍵詞： 磁懸浮球系統；PID控制；實時控制

    磁懸浮（Magnetic levitation）是指利用電磁感應原理，通過電流激勵電磁線圈產生磁場，從而將鐵磁物體懸浮起來的技術。由于磁懸浮系統的懸浮體與支撐體之間無任何接觸，克服了摩擦帶來的速度限制以及能量消耗，具有無摩擦、無噪聲等優點，因此磁懸浮技術在磁懸浮列車、磁懸浮軸承、磁懸浮風洞等技術領域有廣闊的應用前景。然而這類系統通常是開環不穩定的而且用高度非線性的微分方程來表示，控制這些系統就顯得很困難，因此調節懸浮對象的位置，設計高性能的反饋控制器將是一個重要任務。
    本文以固高GML1001系列磁懸浮裝置為基礎，完成了對系統的數學建模及線性化處理，設計了PID控制器，對控制器的參數進行整定，并在MATLAB軟件下進行仿真及實時控制研究。
1 磁懸浮球系統的結構及數學建模
1.1 磁懸浮球系統的結構
    本設計以固高GML1001系列磁懸浮球裝置為基礎，該系統由電磁鐵、LED光源、位移傳感器、放大矯正裝置、電流驅動器、被控對象(鋼球)等元器件組成，是一個典型的吸浮式磁懸浮系統。系統結構如圖1所示。
  

    雖然仿真研究證明控制器工作良好，但是由于系統的模型是經過離散化處理的，與實際模型必然存在一定的差距，因此還需進行實時控制來進行實際驗證。
3.2 實時控制
    MATLAB軟件提供了一個實時開發環境，可用于實時系統仿真和產品的快速原型化，這一點通過特殊的應用工具箱——Real-Time Workshop(RTW)[5]模塊實現。本實驗就是在RTW環境下實現的。
    通過研華PC1-1711型數據采集卡連接實驗裝置與工控機，將設計的PID控制器用于磁懸浮系統試驗，其控制系統模型如圖4所示。

    將目標值設定為20 mm的位置進行試驗。結果表明，仿真所得的控制參數應用于實時控制有一定的穩態誤差，經多次試驗，將參數調整為：Kp=1.6、Ki=0.03、Kd=20。這也證明了實際系統是復雜的非線性系統。圖5顯示了實際的控制效果。圖6顯示了系統在穩定后加入一定干擾的控制效果，可以看出系統具有一定的抗干擾能力。

    本設計將PID原理應用于磁懸浮控制系統。實驗結果表明，PID控制器效果良好，能將鋼球控制在期望的位置，設計達到了預期的效果。同時也為多自由度的磁懸浮系統研究，以及設計更復雜的控制器奠定了基礎。
參考文獻
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[2] 張占軍，林小玲.磁懸浮球系統控制器的分析與設計[J].機電工程，2007，24(1)：19-21.
[3] 向婉成.控制儀表與裝置[M].北京：機械工業出版社，2010.
[4] 薛定宇.控制系統計算機輔助設計[M].北京：清華大學出版社，2006.
[5] Real-Time Windows Target Useer’s Guide[Z].The MathWorks Inc，2002.