基于dsp的磁悬浮球模糊pid数字控制器的实现

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1、基于DSP的磁悬浮球模糊PID数字控制器的实现*邱洪黄苏丹曹广忠(深圳大学自动化研究所、深圳市传感器技术重点实验室深圳518060)摘要：本文给出了磁悬浮球系统的工作原理及其数学模型，阐述了模糊PID控制器的设计方法，设计了以DSP为核心的磁悬浮球模糊PID数字控制器并进行了实验，实现了钢球的稳定悬浮，结果显示系统具有良好的控制效果。关键词：磁悬浮球系统；模糊控制；DSP；TMS320F2812DevelopmentofFuzzyPIDControllerforMagneticLevitatedBallSystemBasedonDSPQiuHongHuangSudanCaoGuang

2、zhong(InstituteofAutomation,ShenzhenUniversity,ShenzhenSensorsTechnologyKeyLaboratory,Shenzhen518060,China)Abstract:Thispaperpresentstheworkingprincipleandthemathematicmodelofthemagneticlevitatedballsystem,introducesfuzzycontrollermethod,designsthefuzzyPIDcontrollerforthesystembasedonDSP,andcar

3、ryoutthepracticalexperiments.Experimentalresultsdemonstratetheballhasbeenlevitatedsteadyandthissystemhasagoodcontrolperformance.Keywords:MagneticLevitatedBallSystem；FuzzyControl；DSP；TMS320F281260引言磁悬浮技术已被广泛的应用于工业、交通等领域，磁悬浮球系统是研究磁悬浮控制的最好模型。目前，磁悬浮球的控制方法主要有PID控制、模糊控制、滑模控制等。相关文献表明，模糊PID控制器在磁悬浮球控制上的

4、应用研究大多仍处在仿真研究阶段。本文研究了基于DSP的磁悬浮球模糊PID控制器并实现了稳定悬浮，为基于DSP的模糊PID数字控制器在磁悬浮系统中的工程化应用奠定了良好基础。1磁悬浮球控制系统1.1磁悬浮球工作原理磁悬浮球系统是由光源、硅光电池位置传感器、电流驱动器、电磁铁以及小钢球所组成，如图1所示。光源正对照射在硅光电池位置传感器上，当把钢球放入有效区域后，硅光电池位置传感器随小球所处垂直方向的位置不同而输出相应有位置电压信号，该位置信号将由控制器进行采集。经过控制算法，控制器输出电流驱动器的控制指令，通过驱动器控制电磁铁的线圈电流大小，使之对钢球产生相应的电磁力。通过控制器不断的

5、去检测小球位置以及输出控制指令，从而使钢球处在一个稳定的悬浮状态。1.2数学模型描述磁悬浮系统输入输出传递函数描述为(1)图1磁悬浮球系统示意图式中，为功率放大器的输入电压，6为传感器后处理电路输出电压，为系统光电传感器线性化后的系数，系统功率放大器系数。，，其中为重力加速度，为平衡点处（钢球的电磁力和重力合力为零）钢球质心与电磁铁磁极之间的气隙，为平衡点处电磁铁绕阻中瞬时电流。实际参数代入(1)式后，得出系统的到之间的传递函数为(2)2模糊PID控制算法设计磁悬浮球系统是典型的非线性迟滞系统，难以获得精确的数学模型，传统的PID控制器并不能获得高性能的控制效果，针对这一缺点，各种改

6、进型的PID控制器开始成为应用研究的热点，基于模糊逻辑的PID控制器的设计与仿真是研究热点之一。模糊控制适合于对难以建立被控对象的数学模型的复杂系统进行控制。模糊PID在常规PID的基础上加设模糊参数自整定控制器，使其根据系统偏差的大小、方向以及变化趋势等特征，通过模糊推理机做出相应决策，在线调整PID的三个参数。模糊控制器、模糊PID控制器的基本结构分别如图2、图3所示。图2模糊控制器基本结构图3模糊PID控制器基本结构系统模糊PID控制算法流程图如图4所示。图4系统模糊PID控制算法流程图2.1系统输入输出变量选取反映小球位置的光电传感器输出电压与目标参考位置电压之间的偏差和偏差

7、变化率作为模糊控制器的输入变量，输出量为PID参数的修正量，，。它们之间的语言变量、基本论域、模糊子集、模糊论域和量化因子关系如表1所示。表1模糊PID参数表2.2模糊PID各变量的隶属函数模糊PID各变量，，，，6的隶属函数均采用三角隶属函数，根据表1可得到其对应的隶属函数，限于篇幅只给出E的隶属函数，如图5所示。图5E隶属函数2.3PID参数的模糊控制规则分析在不同时刻的和，对PID参数进行相应调整，通过总结工程技术人员或实际操作经验，可以得到，，的模