磁悬浮实验报告汇总.docx
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磁悬浮实验报告汇总
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
是漆包线线的电阻率，查表可知：
＝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：
线圈的匝数为：
综上所述，电磁力为：
在线圈骨架几何尺寸和所加的电压固定的情况下，线圈漆包线线径d越大，漆包线的长度L越小，电磁力F越大。
另外，漆包线线径和电流之间还存在下述关系：
因此，线径d越大通过线圈的电流也大，线圈发热越严重。
优化漆包线线径和线长必须综合考虑电磁力大小、线圈额定电流。
由最优的漆包线线径和线长，就可以得到合理的电磁绕组结构参数。
磁悬浮小球系统模型
将钢质小球放入电磁铁产生的磁场中，用传感器检测钢球在螺线管磁场中的位置，进而用PID方法控制线圈电流以达到磁力和重力的平衡。
磁悬浮小球系统可由下面方程描述：
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。
但是，比例控制不能消除稳态误差。
比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。
积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。
因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。
积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
临界比例度法进行PID控制器参数的整定步骤：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期TS，一般说TS应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。
（2）用选定的TS，仅加入比例控制环节使系统工作，逐渐减小比例度，即加大比例放大系数KP，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为Kr,临界振荡周期记为Tr。
（3）以连续-时间PID控制器为基准，建立数字PID的控制度评价函数，通过公式计算或查表确定PID控制器的参数TS,KP,TI和TD。
⏹反应曲线法（实验凑试法）
通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。
实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。
（1）整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
（2）整定积分环节
若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。
先将步骤
（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。
然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
（3）整定微分环节
若经过步骤
（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。
先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
比例十积分十微分（PID）控制器
式中 KP——比例放大系数；TI——积分时间； TD——微分时间。
PID控制的程序实现:
Up＝Kp*error（k）
Ui＝Ui＋Ki*error（k）
Ud＝Kd*（error（k）-error（k-1））
U=Up+Ui+Ud
在程序中我们采用的是增量是算法
磁悬浮控制器介绍
1、磁悬浮控制系统原理框图
磁悬浮控制器组成
资源配置：
*P0.0蜂鸣器，P0.1测试灯，P0.2、P0.3两个按键。
*P1.0-P1.4五路A/D；
*P1.5-P1.7控制LED；
*P2.0-P2.7液晶数据传输；
*P3.2-P3.4液晶控制线；
*P3.0、P3.1接RS-232；
*P3.5、P3.7两路DA；
1、P0口：
STC125412AD的P0口只有四个引脚，资源分配如下：
P0.0蜂鸣器，P0.1测试灯，P0.2、P0.3两个按键。
2、STC125412AD的I/O口资源介绍：
*四个I/O口，共27个引脚，其中P0口上只有4个引脚P0.0-
P0.3，P3口上只有7个引脚却少P3.6脚，P1、P2口和8051一样有8
个引脚；
*所有I/O口都有四种类型：
准双向口（传统8051模式）、推挽输出、仅为输入和开漏模式，均可由软件配置成4种工作类型之一；
*每个口由2个控制寄存器（PxM0和PxM1）中的相应位控制每个引脚工作类型;
举例：
P2M0=0xC0；P2M0=0xA0；
P2.7为开漏，P2.6为高阻输入，P2.5为推挽输出，
P2.4-P2.0为弱上拉。
1、控制器设计了5路AD，都经调理送入单片机，占用P1.0-P1.4五个
I/O引脚，其中P1.4用于采集传感器送入信号，P1.1-P1.3用于控制PID
算法参数，P0.0用于设置小球浮起高度。
2、设置P1口：
设置：
P1M0=0x1F;P1M1=0x00;或者P1M0=0x1F;PIM1=0x1F;
传感器信号AD转换原理框图
2、控制信号AD转换原理框图
1、控制器设计了两路DA，占用P3.5和P3.7两个引脚，P3.5路DA送往功率放大器，P3.7路DA备用。
2、DA电路原理：
STC12C5412AD本没有集成DA转换功能，但是它有4路的PWM（脉
冲宽度调制）信号，PWM信号可以通过调理电路转化为DA信号。
3、DA电路原理框图：
4、I/O口设定：
不能设置为高阻输入！
6、LED模块
1、P1.5-P1.7控制8个数码管（LED）
为了节省I/O资源，选用了一片MAX7219。
2、MAX7219简介
*一种高集成化的串行输入／输出的共阴极LED显示
驱动器；
*每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管，与单
片机相连仅需3根线；
*包括BCD译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱
动器和用于存放每个数据位的8X8静态RAM以及数个工作
寄存器；
*可以编程控制工作寄存器，可以使MAX7219进入不
同的工作状态。
*控制信号：
DIN为串行数据输入端，CIK为串行时钟输入端，LOAD为片选端；
*DIGO～DIG7为吸收显示器共阴极电流的位驱动线，其最大值可达500mA；
*SEGA～SEGG，DP为驱动显示器7段及
小数点的输出电流，一般为40mA左右；
*DOUT为串行数据输出端，通常直接接入下一片MAX7219的DIN端。
在试验中使用的源程序：
//test.c
#include
#include
#include
p0m0=0;
p0m1=0x00;
sbitp02=P0^2;
sbitp03=P0^3;
sbitp00=P0^0;
sbitp01=P0^1;
externpid（intkp,ki,kd,spec,yk）;
externdisp1（unsignedchardat[4]）;//有时候真的很无奈，就少了一点东西。
就是出不来啦，注意extern花了一天的时间，外加另建了一个项目。
无语了
externdisp2（unsignedchardat[4]）;//没一个冒号;害了我老半天,特别注意了
externunsignedintADC_TURNON（unsignedcharspeed,chanl）;
externvoidDelayms（void）;
externvoiddac（unsignedcharpwm）;
externvoiddisp_kp（）;
externvoiddisp_ki（）;
externvoiddisp_kd（）;
unsignedcharflag=1;
voiddelay（unsignedintx）;
voidmain（）
{
intkp=0,ki=0,kd=0,spec=0,yk=0;
unsignedcharda;
unsignedcharshow0[4]={0x00,0x01,0x02,0x03};
unsignedinta=0,b=0;
while
（1）{
p03=0;
a=ADC_TURNON（3,0）;
show0[0]=（unsignedchar）（a/1000）;
show0[1]=（unsignedchar）（（a%1000）/100）;
show0[2]=（unsignedchar）（（（a%1000）%100）/10）;
show0[3]=（unsignedchar）（（（a%1000）%100）%10）;
disp1（show0）;
Delayms（）;
b=ADC_TURNON（3,4）;
show0[0]=（unsignedchar）（b/1000）;
show0[1]=（unsignedchar）（（b%1000）/100）;
show0[2]=（unsignedchar）（（（b%1000）
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