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《无线电》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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基于模拟PID 控制电路的上拉式磁悬浮系统——《无线电》2014.07

2014-08-13 16:05:15

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阅读本文之前,先来看看一个神奇的工业设计,一个悬浮的但又可以发光的电灯泡(见图1),它的链接在这里:http://bea.st/sight/lightbulb/。这个设计看起来就像魔幻效果一样,要是搁在100 年前,与哈利波特的魔法也差不了多少。幸好我们生活在21 世纪了,科学技术和工业文明使得这个神奇的想法变成了现实。

这个灯泡要能悬浮在空中,利用的就是基于模拟PID 控制电路的本文所要描述的磁悬浮技术,确切地说,是上拉式的磁悬浮技术。它发光是利用了无线输电技术。本文不讨论无线输电技术,就从磁悬浮入手,制作一个简单的上拉式磁悬浮系统。

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1 Lightbulb

可以先看一看本文所述的这个磁悬浮系统( 见图2) 的视频, 链接在这里:http://v.youku.com/v_show/id_XNTgwMTE3NDAw.html

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2 本文所述的磁悬浮系统,悬浮的是两块圆形永磁体

什么是PID控制

闲话少叙,让我们先来看看它的大致原理。如果只要上面的电磁铁产生磁力吸住中间的电磁铁,这是很容易的事情,但是麻烦的是,你要把它拉在半空中,而不是一下子把它吸引过来。想要把它固定在某个位置最直观的想法就是,在磁铁快要掉下去的时候就赶紧增加点拉力(磁力)把它拉上来一点,拉上来以后,快要吸过来时,赶紧减少一点拉力,让它不要再靠近,因此这显然是一个负反馈的系统,而且看起来像是在振动的系统。事实上,当今的自动控制技术都是基于

负反馈的控制,对负反馈的研究是控制论的核心问题,本质是使系统输出起到与输入相反的作用,通过系统输出的反馈和输入作比较,用这个误差纠正、调节控制系统的响应,使系统输出与系统目标的误差减小,最终系统趋于稳定。

在工程实际应用中,使用范围最广的就属PID 控制,PID 是比例(P)、积分(I)、微分(D) 控制的缩写,最早是通过观察舵手掌舵的方式而发明出来的反馈控制算法,PID控制器从传感器得到测量结果,然后用需求结果减去测量结果来得到误差,最终通过比例、积分和微分三种算法相加得出系统纠正值。在PID 控制回路中,三部分的作用分别如下:

比例:依赖于当前误差来消除目前的误差;其值是一个比例系数(增益)和当前的误差的乘积,当误差为零时,比例部分输出就是零了。如果增益太大,系统容易变得不稳定,增益太小,则对误差反应太慢,所以这个值需要慢慢调节,达到最优。

积分:累加过去的错误值来平均过去的误差;将过去一段时间的误差值和乘以一个正值的系数。一个只有比例部分的简单控制系统不够稳定,会在预定值的附近来回振荡,因为系统无法消除多余的余差。通过加入积分部分,只要偏差还存在,输出就会不断累积,一直到偏差为零,累积才会停止。所以,积分控制可以消除余差。

微分:通过求误差的改变率来预测未来的误差。计算误差的一阶导数,并乘以一个正常数。为什么还要加这部分呢?在控制对象运行比较慢的系统里,比例积分控制一般也就够用了,但是对相对运行较快的控制对象还有些不足之处。因为比例积分只能对当前和过去作出反应,却不能预测即将到来的误差趋势,往往会有一个“时间滞后”的问题。举个简单的例子,比如我们开车打方向盘的时候,如果当前速度很快,那么方向要打得很快,不然偏差就大了,速度慢的话,慢慢打也还来得及。PID 控制器里的微分部分也是这个道理,根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况,提前进行过量控制,“防患于未然”。

 

未完。。。

全文详见《无线电》2014.07




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