(完整版)基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计毕业设计
磁悬浮小球控制系统软件设计毕业设计(论文)
磁悬浮小球控制系统软件设计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ABSTRACTMagnetic 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．With the extensive application of maglev technology, the control of the maglev system has become a priority. In this paper, for the principle of PID control, PID controller designed to control magnetic suspension system.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 gets the better control parameters by MATLAB software simulation studies, and real-time control of magnetic suspension control system to verify the control parameters. The key research works for further study are proposed at last．Since PID controllers have been the process of industrial production has been most widely and most sophisticated controller. Most industrial controllers are PID controllers or modified. While in the control area, a variety of new controllers continue to emerge, but the PID controller is its simple structure, easy to implement, robust, etc., in a dominant position.Key words: magnetic suspension system; PID controller; MATLAB simulation毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
基于51单片机小球控制系统的设计与实现
（ １ ． 海 南软件 职 业技 术 学院 海 南 琼海 ５ ７ １ ４ ０ ０ ； ２ ． 海 南大 学 海 南 海 口 ５ ７ ０ １ ０ ２ ） 摘 要 ：针 对全 国电子 设 计竞 赛 （ Ｊ ） 题 通 过控 制 摆 杆 的 高低 来 实现 小球 滚 动 ， 并根 据 摆 杆 与 水 平 平 面 的 夹角和 小球 在槽 内的位 置 来控 制 小球 在 光 滑的 Ｕ型 槽 内完成各 种要 求的 往 复运 动 的要 求 。本 设 计以Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ ２单 片机 为 主控核 心 。结合 角度传 感 器 、 光 电对 管 、 直流 减速 电机 、 Ｌ Ｅ Ｄ、蜂 呜 器及
Ｌ Ｃ Ｍ１ ６ ０ ２液 晶屏 构 成一 套 完整 的小球 滚 动控 制 系统 。通 过 Ｌ Ｃ Ｍ１ ６ Ｏ ２液 晶屏 显 示往 复运 动 、 位置、 周
期、 偏 差 ４组数 据 的 时间及 角度 ， 通过 １ ６个 Ｌ Ｅ Ｄ 实时显 示 小球 的运 行 轨迹 ， 通过 实验 表 明该 系统 符
ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ ｒ ｅ ｌ— ａ ｔ ｉ ｍ ｅ ｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｙ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｌ１ ａ ． Ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｍｅ ｅ ｔ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ．
第２ ５卷 第 ８期
Ｖｏ １ ． ２ ５ Ｎｏ ． ８
电子设 计 工程
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎｇ
２ ０ １ ７年 ４月
基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计毕业论文
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The design of control system of magnetic levitation ball basedon MCUABSTRACTAs more and more maglev technology is applied to each field in actual life, the word of magnetic suspension a several years ago was very strange has already widely known by the people. Magnetic suspension is classified and can be divided into superconductive magnetic suspension and electromagnetic magnetic suspension from the material which produces lift force. It is a very complicated problem to control the magnetism suspension system. The focal point that this text studies is that these two kinds of magnetic suspension demonstrate the design about question of controlling of the experimental provision.Superconductive magnetic suspension is to utilize the superconductor in superconductive state to upbraid magnetic force principles. To suspend object superconductor,so superconductive control focal point of magnetic suspension drop on the superconductor superconductive magnetic suspension. This text is from recommend that the using basically of superconductive magnetic suspension is started with, introduce the basic physical property of the superconductor , then the control method , course and principle to introduce superconductive magnetic suspension deeply progressively.Compared with superconductive magnetic suspension, the application that electromagnetic magnetic suspension is much more extensive , because the realization course that electromagnetic magnetic suspension is much simpler. Magnetic suspension that electromagnetic magnetic suspension and can be divided into the magnetic suspension which use the electro-magnet and quoted the non- electric magnetic magnet (tombarthite permanent magnet, ordinary magnet ,etc. ). But because the electro-magnet is more convenient and utilizes controlling, it is more extensive to use the magnetic suspension of the electro-magnet. The research in electromagnetic magnetic suspensionof this text is to proceed with a instance , analyse that according to the principle of electro-magnet type magnetic suspension , thus study electromagnetic type magnetic suspension control method , course and principle further.At the end of this text, I utilize knowledge studied in the university, combine the research focal point of this text - -Demonstrate the control question of the experimental provision , has made a simple electric magnetic suspension device in magnetic suspension. The principle of the device is to make use of control on electro-magnet electric current to realize moving repeatedly back and forth in the sky of an iron plate that this suspends, reach the result of suspending on the vision . This is it control square different principle to suspend with real electro-magnet, simple means this can achieve the the same goal too.This instance has given us one to enlighten: The simple demonstration experimental provision can state the operation principle of new and high technology , such as maglev train ,etc. too, magnetic suspension is not out of reach.KEY WORDS：electromagnetic magnetic suspension , superconductive magnetic suspension ,the control of magnetic suspension,demonstrate the experimental provision, the maglev train目录前言......................................................................... 错误！未定义书签。
毕业设计 磁悬浮
编号：审定成绩：xxxx大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于磁悬浮球装置的控制算法研究学院名称：xxx学生姓名：xx专业：xxxxxxxx班级：xxx学号：xxx指导教师：xx答辩组负责人：xx填表时间：2010年6 月xxxx大学教务处制摘要磁悬浮系统是一个复杂的非线性、自然不稳定系统，其控制器性能的好坏直接影响磁悬浮技术的应用，其研究涉及控制理论、电磁场理论、电力电子技术、数字信号处理以及计算机科学等众多领域。
由于磁悬浮系统对实时性的要求很高，在很大程度限制了先进控制算法的开发和应用。
为了满足日益复杂的控制要求和提高控制系统的实时性，本文以单自由度磁悬浮球系统为研究对象，在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立了数学模型并对其控制器进行了研究，以期望达到更好的控制效果。
本文首先分析了磁悬浮系统的工作原理，建立了系统的数学模型和线性化模型，并在此基础上利用MATLAB软件以及其中的SIMULINK仿真工具箱对模型开环和闭环系统进行了仿真。
然后,根据得出的系统传递函数，在SIMULINK环境下搭建系统开环传递函数，并据此进行PID控制器的设计和调节，以及用根轨迹法和频率响应法控制系统。
【关键词】磁悬浮球PID控制器根轨迹频率响应ABSTRACTThe magnetic levitation system is a complex, nonlinear, naturally unstable system. And the controller’s performance directly influences the wide applications of the magnetic levitation technology. The research on such a system involves control theory, electromagnetism, electric and electronic technology, digital signal processing, computer science and so on. Because the magnetic levitation system’s real time demand is rigorous, the development and application of advanced controllers is limited. In order to meet the requirement of complex controller and improving the real-time performance, this paper introduces the magnetic levitation control system based on the single-freedom-degree magnetic levitation ball system, then established the mathematic model and its controller is studied, and expected totter control effect.This paper analyses the working principle of maglev system, establishing the mathematic model of the system and the linear model, and on the basis of using the software MATLAB, and SIMULINK tool to model and the closed-loop system is simulated. Then, according to the system transfer function in building system under the environment of SIMULINK open-loop transfer function, the design and adjustment of the PID controller, and with the root locus method and the method of frequency response controlled control system.【key words】Magnetic levitation ball PID controller Root locusFrequency response目录前言 (1)第一章磁悬浮系统的概述 (2)第一节磁悬浮的分类及应用前景 (2)第二节磁悬浮技术的研究现状 (3)第三节磁悬浮的控制方法和发展趋势 (4)第二章磁悬浮系统的分析和建模 (6)第一节磁悬浮系统的分析 (6)第二节磁悬浮系统的工作原理 (6)第三节磁悬浮系统的建模 (7)一、控制对象的运动方程 (7)二、电磁铁中控制电压与电流的模型 (8)三、电流控制模型 (9)四、电压控制模型 (11)第三节磁悬浮球系统的搭建 (14)一、开环系统搭建 (14)二、闭环系统搭建 (15)第四节本章小结 (17)第三章控制器的设计和调试 (18)第一节 PID控制器的设计和调试 (18)一、PID控制基础 (18)二、PID控制参数整定 (19)三、磁悬浮系统中的PID控制 (21)第二节根轨迹控制器的设计和调试 (23)一、根轨迹法的基本概念和原理 (23)二、磁悬浮系统的根轨迹校正 (24)第三节频率响应控制器的设计和调试 (27)一、频率响应法的基本概念和分析 (27)二、磁悬浮系统中的频率响应 (29)第四节本章小结 (33)结论 (34)致谢 (35)参考文献 (36)附录 (38)一、英文原文 (38)二、英文翻译 (47)三、源程序 (54)前言磁悬浮技术是将电磁学、机械学、动力学、电子技术、自动控制技术、传感技术、检测技术和计算机科学等高新技术有机结合在一起，成为典型的机电一体化技术。
基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计
基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计
采用霍尔元件检测小球，输位置出电信号经A/D转换反馈至单片机，运用单片机数字PID控制器来控制磁悬浮小球在磁场中的位置。
以单片机为核心，设计磁悬浮小球的控制电路设计，对控制算法进行研究，编写程序，通过传感器对小球位置的测量，利用通过单片机来实现对小球悬浮的稳定控制。
采用霍尔元件检测小球，输位置出电信号经A/D转换反馈至单片机，运用单片机数字PID控制器来控制磁悬浮小球在磁场中的位置。
给定数字量的作用是手动控制小球在磁场中的位置，根据给定量不同，小球的受力大小也随之改变。
单片机控制器主要是在接到传感器的反馈后通过把模拟信号转换成数字信号发给磁铁执行器从而控制磁场大小。
功率驱动则是改变驱动能力。
霍尔元件则是用于测量小球位置的传感器，并将其信号通过模数转换发送给单片机控制器
13电气工程及其自动化（2）班
1304102062
朱培喆。
磁悬浮球控制系统
北京交通大学硕士学位论文磁悬浮球控制系统姓名：张宏申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：李德才20060301北京交通大学硕士毕业论文磁悬浮球控制系统§４．２传感器的作用、原理及其选择¨ＺＪ传感器在控制系统的作用如同感觉器官在我们生活中起的作用一样，它是感测被控对象变化的，感测得如何将直接影响控制系统的好坏。
因此我们一定要选择恰当的传感器。
§４．２．１霍尔效应传感器的简介霍尔效应传感器用于检测磁场。
这种传感器是一片矩形的Ｐ型半导体（称为霍尔原件），它通常是由锑化铟（１ｎｓｂ）或砷化镓（ＧａＡｓ）制成的。
霍尔效应传感器是个４端设备。
其中的两端连接到电源。
两边的接线端则是输出头。
当电源供给传感器持续电流时，若是没有磁场的影响，则正电荷载流子可以平稳地流过传感器。
在这种情况下，输出端的电压为０。
图３．５说明了将半导体放置到由电磁铁或是永磁铁产生的与半导体垂直的磁场中时，会出现什么样的情况。
此时，电荷载流子会由于洛伦兹力的影响而偏向一边。
结果是输出端产生一个ＥＭＦ（称为霍尔电压）。
电荷载流子所偏向的那边相对于另一边来说变为正电荷。
如果电源或是磁场的方向相反，那么霍尔电压的极性就会改变。
图４—２由洛伦兹力产生的霍尔电压第４７页北京交通大学硕十毕业论文磁悬浮球控制系统霍尔原件产生的霍尔电压大小主要由以下三个方面的因素决定：１．电源提供的电流大小。
２．半导体材料的物理尺寸。
电压是和原件厚度以及磁力线垂直穿过的横截面积成正比的。
３．霍尔原件所处磁场的场强。
由于电流是保持恒定的，而且物理尺寸也不会变化，因此，磁场强度决定了电压的大小。
当磁体接近时，磁力线密度增加（如图３．６所示），霍尔电压与之成比例地增加。
图４—３随着到磁极距离的增加，磁力线密度也随之增加这种现象被称作霍尔效应，是由ＥｄｗａｒｄＨ．Ｈａｌｌ于１８９７年发现的。
另一个影响场强的因素是磁力线通过霍尔原件的角度。
基于STM32单片机的微型磁悬浮装置的设计
图 5 x 轴的双闭环串级 PID 控制框图
2.3 软件流程 本文选用 STM32F103C8T6 单片机作为主控制器，通
过 MDK ⁃Keil5 IDE 软件进行程序设计和调试见图 6 和 图 7。
图 6 主程序流程图
图 7 串口中断接收程序
图 6 和图 7 分别为主程序和串口中断接收程序两大 部分。在中断处理时，通过串口中断接收上位机发送来 的 命 令 和 数 据 ，并 缓 存 到 全 局 变 量 环 形 数 组 区 ，并 使 用 定时器中断设计 15 ms 控制周期定时。
调试完 PID 参数后，开始悬浮测试，该磁悬浮装置 的底座实物图如图 8 所示。本文使用直径 25 mm、厚度 10 ms 的圆柱体钕铁硼磁铁作为永磁体，以及直径 3 cm 厚度 5 mm 的圆柱体钕铁硼磁铁作为浮子。
第 14 期
杜明昊，等：基于 STM32 单片机的微型磁悬浮装置的设计
29
子 的 位 置 信 息 ，以 永 磁 体 的 中 心 为 原 点 ，建 立 直 角 坐 标 系 ，霍 尔 h1 测 量 x 轴 方 向 上 的 浮 子 磁 通 量 信 息 ，霍 尔 h2 测 量 y 轴 方 向 上 的 浮 子 磁 通 量 信 息 。 [7] 因 此 ，通 过 STM32 单 片 机 片 内 ADC 外 设 得 到 磁 通 量 值 ，进 行 数 学 坐标模型化后，可以得到浮子的水平位置。
2 磁悬浮装置的控制设计
2.1 浮子姿态位置 磁悬浮装置平面结构示意图如图 4 所示。磁通量
测量单元里的 2 个相互垂直的霍尔元件，可以测量出浮
图 3 磁通量测量单元
图 4 磁悬浮装置平面结构示意图
2.2 双闭环串级 PID 控制 浮子稳定悬浮时，所需的悬浮斥力主要由永磁体提
磁悬浮小球的PID控制
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
研究方法
理论分析与实验相结合
主要技术指标(或研究目标)
学会控制系统控制特性进行分析的一般方法和步骤，在此基础上选择合适的控制算法；
掌握一般控制系统PID控制算法的仿真研究和实验过程中控制器参数的调节方法。
教研室
意见
教研室主任（专业负责人）签字：年月日
说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日
导师签名：日期：年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
太原科技大学华科学院毕业设计（论文）任务书
学院（直属系）：电子信息工程系时间：2013年2月27日
学生姓名
指导教师
设计（论文）题目
磁悬浮小球系统的PID控制
主要研
究内容
掌握磁悬浮小球实验装置的软、硬件结构，能分析系统的控制特性；理解PID控制算法的理论知识和PID控制现场调试方法；能运用PID控制算法实现磁悬浮小球系统的稳定控制。
磁悬浮设计文档
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。
磁悬浮自动控制系统的设计
-2
pm 49.3
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
Frequency (rad/sec)Leabharlann 加入控制器后系统的阶跃响应为：
可以看出校正后，系统阶跃响应的超调量为4%，调节 时间为1.7s，稳态误差为0，符合设计要求。
在原系统中加入我们设计的系统控制器， 成功地使小球悬浮了起来，并使系统达到了设 计要求的动态性能和稳态性能。
器中超前部分提供的最大相位超前角 m
m pm 180 0 (c ) 5 55
磁悬浮系统控制器的设计
5、根据所确定的相位超前角，确定控制器 的参数
1 sin55 10 1 sin55
磁悬浮系统控制器的设计
磁悬浮控制系统建模与仿真毕业设计论文
2010届毕业设计说明书磁悬浮控制系统建模及仿真系部：电气与信息工程系专业：电气自动化技术完成时间： 2010年5月目录1 绪论 (2)1.1 磁悬浮技术的发展与现状 (3)1.2 磁悬浮技术研究的意义 (3)1.3 磁悬浮的主要应用 (3)1.3.1 磁悬浮列车 (3)1.3.2 高速磁悬浮电机 (4)2 磁悬浮系统概述 (4)2.1 磁悬浮实验本体 (5)2.2 磁悬浮电控箱 (6)2.3 控制平台 (6)3 控制系统的数学描述 (7)3.1 控制系统数学模型的表示形式 (7)3.1.1 微分方程形式 (7)3.1.2 状态方程形式 (8)3.1.3 传递函数形式 (8)3.1.4 零极点增益形式 (9)3.1.5 部分分式形式 (9)3.2 控制系统建模的基本方法 (10)3.2.1 机理模型法 (10)3.2.2 统计模型法 (11)3.2.3 混合模型法 (11)3.2.4 控制系统模型选择 (12)3.3 控制系统的数学仿真实现 (12)4 MATLAB软件的介绍 (13)4.1 MATLAB简介 (13)4.2 Simulink概述 (13)4.3 Simulink用法 (14)5 磁悬浮系统基于MATLAB建模及仿真 (20)5.1 磁悬浮系统工作原理 (20)5.2 控制对象的运动方程 (21)5.3 系统的电磁力模型 (21)5.4 电磁铁中控制电压与电流的模型 (21)5.5 平衡时的边界条件 (23)5.6 系统数学模型 (23)5.7 系统物理参数 (23)5.8 Matlab下数学模型的建立 (24)5.9 开环系统仿真 (25)5.10 闭环系统仿真 (28)6 结束语 (31)参考文献 (32)致谢 (33)附录 (34)附A传感器实测参数 (35)1 绪论1.1 磁悬浮技术的发展与现状磁悬浮技术的发展始于上世纪，恩思霍斯发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮，此现象于1939年由布鲁贝克进行了严格的理论证明。
基于单片机的磁悬浮系统的设计
关键词：磁悬浮；线圈；霍尔传感器；AVRmega16
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2017)05-0179-01
DOI:10.14004/ki.ckt.2017.0637
随着社会的发展科技的进步，人们的生活水平也发生了翻 天覆地的变化，人们越来越依赖于科学技术，然而人们对于科 学技术的认识也是越来越少。该磁悬浮系统可以使人们更能 了解到科学技术，感受科学技术的神奇。该技术简单易懂。该 磁悬浮系统可悬浮一切带有磁性的物品，比如利用该系统可制 作磁悬浮式台灯，也可制作成磁悬浮摆饰等。
图1 软件流程： 单片机选用 AVRmega16 是由于该单片机拥有自带的 PWM 输出端口，使得编程简单化，只需改变单片机内部一个寄存器 的值就可以轻松的改变输出脉宽，该项号的单片机造价便宜。 在一切硬件连接完毕后，利用单片机控制霍尔传感器读出 此时空载时传感器所处的磁场强度的数据，每个人做出的该系 统数据不会相同。后面的编程就需要该数据才可以使磁性物 体漂浮起来。若要在磁性物体漂浮后移动，前期要不断地测 出不同脉宽下物体移动的速度。以防力度过大把磁性物体弹 出磁悬浮平台。把测量好的数据存入单片机，需要移动时通 过按键开关来调用不同数据的脉宽。若要加个液晶显示屏更 加直观。
硬件主要部分： 图 1 中 1 所指的是汝磁铁，用来增加主磁场的磁场强度，增 加或减少该磁铁，会导致此系统所悬浮物体的最大质量发生变 化。一般的悬浮小型磁性物体只需要十六个小型钕磁铁即可。 图 1 中 2、4 所 指 的 是 用 漆 包 线 绕 起 来 的 线 圈 ，一 般 用 1.2mm 的漆包线，驱动线圈用 12V 电压。注意四个线圈要放置 成一个正四边形，这样可以使编程简化。对角线上的两个线圈 需要连接在同一个驱动电路上，这样控制更精确。 图 1 中 3 所指的是霍尔传感器（只能用线性的），该元器件 需放置在线圈所围成的两对角线交点处各占一条对角线，两个 传感器要相互垂直。注意的是霍尔传感器要选用线性的传感 器，这样可以随意的改变上方磁性物体悬浮的出初始位置，要 是想在磁性物体悬浮的过程中移动物体也是可以实现的。若 是选用霍尔传感器的逻辑传感器，那么该系统制作起来就非常
单片机原理与应用系统设计 第09章 单片机应用系统设计实例
9.1.3 控制程序：总体设计
系统上电
中断服务程序入口 保护现场 清除中断标志 TF2
上电初始化
启动定时器
读取 AD转换的结果
读 P1口数据
CPU工作指示 启动 AD转换 计算控制量
根据 P1口数据查 表，得到 Kp,Kv,Ka Ki四个增益参数
N
停机？
更新 PWM脉宽 恢复现场 中断服务程序返回
率管GS极上导通电压14.3V，关断电压为-0.7V。关断负压的设计可以使得
功率管可靠地截止。此外，栅极驱动电阻取为20Ω。
9.1.2 电路设计：驱动与吸收保护电路
(1) 续流和吸收保护电路 电磁铁是感性元件，为此应使用快恢型二极管D1为电感L提供续流回 路，以防止MOSFET关断时漏极电位急剧上升而损坏功率管。图中，R、C、 D组成的吸收网络能够吸收MOSFET在开关时刻的电压和电流尖峰。其中，C 用于限制MOSFET的漏极-源极间电压突变，R用于限制MOSFET开通时C的放 电电流，D则便于在MOSFET关断时，C能迅速吸收MOSFET上的关断尖峰。
磁悬浮球演示系统是一个典型的嵌入式数字控制系统，由电磁铁、 铁磁性小球及控制部分组成，其电磁铁通电后产生磁场，吸引铁磁性小
球，动态调节电磁铁中的电流，可使其产生的电磁吸力等于小球的重量，
从而使小球悬浮在空中保持不动。这个动态调节的过程称为磁悬浮控制。 本例进行磁悬浮球演示系统的设计，首先介绍系统组成以及磁悬浮控制
9.1.1 组成及工作原理：悬浮控制原理
d0 , i0 线性化后，可得到系统的传递函数为：
G s d s Ki i s ms2 K d
设额定悬浮间隙为 d 0 ，额定电磁铁平均电流为i0 ，将上述模型在
基于单片机的小球平衡控制系统实验设计
·实验技术·基于单片机的小球平衡控制系统实验设计耿兴华1，李简文1，郭 飞2（1. 大连理工大学 工程训练中心，大连 116023；2. 大连理工大学 能源与动力学院，大连 116023）摘要：针对综合设计型实验课程，研制了一套小球平衡控制的实验系统。
该系统以单片机STC12C5A60S2为核心处理器，通过外设PWM 占空比的调整控制风扇转速，从而调整风速的大小，利用超声波测量距离传感器测量小球在管内位置并反馈给单片机，单片机通过PID 算法计算出所需要的PWM 占空比驱动风扇，形成完整的闭环控制系统。
PID 系数整定采用Z-N 系数法整定，整个系统实现了快速稳定控制小球在中心位置。
关 键 词：综合实验；单片机；PID 系数整定；平衡控制中图分类号：TP29 文献标志码：A DOI: 10.12179/1672-4550.20200148Design of MCU-based Small Ball Balance Control System ExperimentGENG Xinghua 1, LI Jianwen 1, GUO Fei2（1. Engineering Training Center, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China;2. School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China ）Abstract: In view of the comprehensive design experiment course, an experimental system of small ball balance control is developed. The system, with the STC12C5A60S2 as the core processor of the system, adjusts the wind speed through the adjustment of the peripheral PWM duty cycle. The ultrasonic measuring distance sensor is used to measure the position of the small ball in the tube and give feedback to the MCU. Next, the MCU calculates the PWM duty cycle needed to drive the fan via PID algorithm, thus forming a complete closed-loop control system. The whole system, adopting the Z-N coefficient method in the PID parameter tuning,realizes the fast and stable control of the small ball in the central location.Key words: comprehensive experiment; MCU; PID parameter tuning; balance controlPID 控制算法诞生于20世纪20年代[1]，同时也是当今世界最为通用的控制算法，PID 控制器及其衍生算法的新型控制器占据当今控制器市场的90%以上，PID 控制器以其结构简单、性能优越、有较强的适用性、易于操作等优点，广泛应用于各类工业过程控制中，如平衡车、无人机、无人驾驶等领域[2−6]。
磁悬浮PID控制毕业论
2011届毕业设计（论文）材料系、部：电气与信息工程系学生姓名：单能文指导教师：易杰职称：高级工程师专业：自动化班级： 0703班学号： 4100703172011年6月材料清单1、毕业设计（论文）课题任务书2、毕业设计（论文）开题报告3、中期检查表4、指导教师评阅表5、评阅评语表6、答辩资格审查表7、答辩及最终成绩评定表8、毕业设计（论文）说明书湖南工学院2011届毕业设计（论文）课题任务书系：电气与信息工程系专业：自动化湖南工学院毕业设计(论文)开题报告湖南工学院毕业设计(论文)工作中期检查表湖南工学院2011届毕业设计（论文）指导教师评阅表系：电气与信息工程系专业：自动化湖南工学院毕业设计（论文）评阅评语表湖南工学院毕业设计（论文）答辩资格审查表湖南工学院2011届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表系：电气与信息工程系专业：自动化2011届毕业设计说明书基于磁悬浮控制系统的PID控制器设计系、部：电气与信息工程系学生姓名：单能文指导教师：易杰职称高级工程师专业：自动化班级： 0703班完成时间： 2011年5月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。
磁悬浮球系统的建模与仿真设计毕业设计
声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
学生签名：年月日新疆大学毕业论文（设计）任务书班级：自动化081 姓名：论文（设计）题目：磁悬浮球系统的建模与仿真设计专题：要求完成的内容： 1. 学习系统建模方法和熟练MATLAB语言。
2. 熟悉磁悬浮球控制系统的工作原理。
3. 建立磁悬浮球控制系统的数学模型。
4. 分析磁悬浮球控制系统的稳定性。
5. 磁悬浮球控制系统的控制器（PID,模糊）的设计。
6. 用SIMULINK建模进行仿真实验进行分析。
7. 编写毕业设计说明书。
发题日期：年月日完成日期：年月日实习实训单位：地点：论文页数：页；图纸张数：指导教师：教研室主任：院长：摘要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技术。
随着电子技术、控制工程、处理信号元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展。
本实验平台可以使用多种控制器和控制方法，适用于相关人员的研究和实验工作。
研究和设计磁悬浮球控制系统实验平台是本文的主要工作，本文在分析磁悬浮球控制系统工作原理的基础上，设计了一套磁悬浮球控制系统实验平台。
本文着重介绍控制器的设计过程。
在此基础上，本文利用了MATLAB设计了基于计算机的磁悬浮PID传统控制和模糊PID控制器。
所研制的控制器软件设计方法简单、性能稳定、实时调试方便。
关键词：磁悬浮球控制系统；稳定性；传统PID控制器；模糊PID控制器ABSTRACTMagnetic Suspension is one of typical mechanics and electronics technology,which includes the electromagnetics, electron technology, control engineering, signaldisposal, mechanics and dynamics.As the electronic technology, control engineering, processing signal components, electromagnetic theory and the development of new electromagnetic material and the progress of the rotor dynamics, maglev technology got rapid progress. This experiment platform can use a variety of controller and the control method, apply to relevant personnel of research and experimental work.This thesis focuses on the research and design of Magnetic Suspension ball Control System testing platform. Based on analyzing of Magnetic Suspension ball Control system's working principle, the thesis designs a Magnetic Suspension ball Control System testing platform.The paper emphasizes the design process.On this basis, this paper use based on MATLAB design of magnetic levitation PID traditional computer control and fuzzy PID controller. The developed controller software design method is simple, stable performance, real-time debugging is convenient.Keywords: maglev ball control system;stability;the traditional PID controller;the fuzzy PID controller目录1 绪论 (5)1．1 磁悬浮技术综述 (5)1．1．1 前言 (5)1．1．2 磁悬浮方式的分类 (5)1．1．3 磁悬浮控制方法的现状与发展趋势 (5)1．2 课题的提出及意义 (6)1．3 本论文的工作及主要内容 (6)2 磁悬浮球系统组成及系统模型 (8)2.1 磁悬浮球系统组成 (8)2.2 磁悬浮球系统工作原理 (8)2.3 磁悬浮球系统的数学模型 (8)2.4 磁悬浮球系统闭环控制 (12)3 传统控制器的研究与设计 (13)3．1 引言 (13)3．2 控制器设计 (13)3.2.1 PID控制器基本控制规律 (13)3.2.1.1 比例控制器（P调节器） (13)3.2.1.2 积分控制器（I调节器） (14)3.2.1.3 微分控制器（D调节器） (15)3.2.1.4 比例-微分控制器（PD调节器） (15)3.2.1.5 比例-积分控制器（PI调节器） (16)3.2.1.6 比例-积分-微分控制器（PID调节器） (17)3.2.2 PID控制器的参数整定 (19)3.2.3 PID调节器参数的工程整定 (21)3.2.3.1工程实验法整定 (21)3.2.3.2 Ziegler-Nichols参数整定法 (22)3.3 磁悬浮球系统PID参数整定及系统仿真 (24)3.3.1 不加控制器时磁悬浮球系统及其系统仿真 (24)3.3.2 PID参数整定的步骤及系统仿真 (28)4 模糊PID控制器的设计 (32)4．1引言 (32)4．2模糊控制器简介 (32)4．2．1模糊控制的基本原理 (32)4.2.2 模糊控制器的结构 (32)4.3 模糊控制系统的设计 (34)4.3.1 模糊控制器的结构设计 (34)4.3.2 模糊控制器的基本设计 (35)4.3.3 模糊PID控制器结构及参数自整定原则 (36)4.3.4 模糊PID控制器的设计 (37)4.3.5 基于MATLAB的模糊PID控制系统的仿真研究 (39)5 总结与展望 (42)5．1总结 (42)5．2 今后的研究方向 (42)致谢 (43)1 绪论1．1 磁悬浮技术综述1．1．1 前言磁悬浮技术属于自动控制技术，它是随着控制技术的发展而建立起来的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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The design of control system of magnetic levitationball based on MCUABSTRACTAs more and more maglev technology is applied to each field in actual life, the word of magnetic suspension a several years ago was very strange has already widely known by the people. Magnetic suspension is classified and can be divided into superconductive magnetic suspension and electromagnetic magnetic suspension from the material which produces lift force. It is a very complicated problem to control the magnetism suspension system. The focal point that this text studies is that these two kinds of magnetic suspension demonstrate the design about question of controlling of theexperimental provision.Superconductive magnetic suspension is to utilize the superconductor in superconductive state to upbraid magnetic force principles. To suspend object superconductor,so superconductive control focal point of magnetic suspension drop on the superconductor superconductive magnetic suspension. This text is from recommend that the using basically of superconductive magnetic suspension is started with, introduce the basic physical property of the superconductor , then the control method , course and principle to introduce superconductive magnetic suspension deeply progressively.Compared with superconductive magnetic suspension, the application that electromagnetic magnetic suspension is much more extensive , because the realization course that electromagnetic magnetic suspension is much simpler. Magnetic suspension that electromagnetic magnetic suspension and can be divided into the magnetic suspension which use the electro-magnet and quoted thenon- electric magnetic magnet (tombarthite permanent magnet, ordinary magnet ,etc. ). But because the electro-magnet is more convenient and utilizes controlling, it is more extensive to use the magnetic suspension of the electro-magnet. The research in electromagnetic magnetic suspension of this text is to proceed with a instance , analyse that according to the principle of electro-magnet type magnetic suspension , thus study electromagnetic type magnetic suspension control method , course and principle further.At the end of this text, I utilize knowledge studied in the university, combine the research focal point of this text - -Demonstrate the control question of the experimental provision , has made a simple electric magnetic suspension device in magnetic suspension. The principle of the device is to make use of control on electro-magnet electric current to realize moving repeatedly back and forth in the sky of an iron plate that this suspends, reach the result of suspending on the vision . This is it control square different principle to suspend with real electro-magnet, simple means this can achievethe the same goal too.This instance has given us one to enlighten: The simple demonstration experimental provision can state the operation principle of new and high technology , such as maglev train ,etc. too, magnetic suspension is not out of reach.KEY WORDS：electromagnetic magnetic suspension , superconductive magnetic suspension ,the control of magnetic suspension,demonstrate the experimental provision, the maglev train目录前言......................................................................... 错误！未定义书签。
第1章绪论.................................................................................................§1.1 研究的背景及意义 .......................................................................§1.1.1研究背景.................................................................................§1.1.2发展前景.................................................................................第2章系统总体设计与工作原理.............................................................§2.1 设计内容与设计方法 ...................................................................§2.1.1设计内容.................................................................................§2.1.2设计方法.................................................................................§2.1.3设计总框图.............................................................................§2.2 工作原理 .......................................................................................第3章系统硬件电路的设计.....................................................................§3.1硬件所需元件 ...............................................................................§3.2硬件电路原理图 . (1)第4章系统软件的设计 (1)§4.1 软件的功能与作用 (1)§4.1.1软件流程图 (1)§4.1.2调试软件的介绍及调试方法 (1)结论 (2)参考文献 (2)致谢 (2)前言1. 设计（或研究）的依据与意义磁悬浮技术是起源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。