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                    《無線電》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    1955年創刊,是國內電子科普領域創刊最早、發行量最大的知名雜志,累計發行量超過3億冊,倡導科普、興趣、實作、分享的辦刊理念。

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                    基于模擬PID 控制電路的上拉式磁懸浮系統——《無線電》2014.07

                    2014-08-13 16:05:15

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                    閱讀本文之前,先來看看一個神奇的工業設計,一個懸浮的但又可以發光的電燈泡(見圖1),它的鏈接在這里:http://bea.st/sight/lightbulb/。這個設計看起來就像魔幻效果一樣,要是擱在100 年前,與哈利波特的魔法也差不了多少。幸好我們生活在21 世紀了,科學技術和工業文明使得這個神奇的想法變成了現實。

                    這個燈泡要能懸浮在空中,利用的就是基于模擬PID 控制電路的本文所要描述的磁懸浮技術,確切地說,是上拉式的磁懸浮技術。它發光是利用了無線輸電技術。本文不討論無線輸電技術,就從磁懸浮入手,制作一個簡單的上拉式磁懸浮系統。

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                    1 Lightbulb

                    可以先看一看本文所述的這個磁懸浮系統( 見圖2) 的視頻, 鏈接在這里:http://v.youku.com/v_show/id_XNTgwMTE3NDAw.html。

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                    2 本文所述的磁懸浮系統,懸浮的是兩塊圓形永磁體

                    什么是PID控制

                    閑話少敘,讓我們先來看看它的大致原理。如果只要上面的電磁鐵產生磁力吸住中間的電磁鐵,這是很容易的事情,但是麻煩的是,你要把它拉在半空中,而不是一下子把它吸引過來。想要把它固定在某個位置最直觀的想法就是,在磁鐵快要掉下去的時候就趕緊增加點拉力(磁力)把它拉上來一點,拉上來以后,快要吸過來時,趕緊減少一點拉力,讓它不要再靠近,因此這顯然是一個負反饋的系統,而且看起來像是在振動的系統。事實上,當今的自動控制技術都是基于

                    負反饋的控制,對負反饋的研究是控制論的核心問題,本質是使系統輸出起到與輸入相反的作用,通過系統輸出的反饋和輸入作比較,用這個誤差糾正、調節控制系統的響應,使系統輸出與系統目標的誤差減小,最終系統趨于穩定。

                    在工程實際應用中,使用范圍最廣的就屬PID 控制,PID 是比例(P)、積分(I)、微分(D) 控制的縮寫,最早是通過觀察舵手掌舵的方式而發明出來的反饋控制算法,PID控制器從傳感器得到測量結果,然后用需求結果減去測量結果來得到誤差,最終通過比例、積分和微分三種算法相加得出系統糾正值。在PID 控制回路中,三部分的作用分別如下:

                    比例:依賴于當前誤差來消除目前的誤差;其值是一個比例系數(增益)和當前的誤差的乘積,當誤差為零時,比例部分輸出就是零了。如果增益太大,系統容易變得不穩定,增益太小,則對誤差反應太慢,所以這個值需要慢慢調節,達到最優。

                    積分:累加過去的錯誤值來平均過去的誤差;將過去一段時間的誤差值和乘以一個正值的系數。一個只有比例部分的簡單控制系統不夠穩定,會在預定值的附近來回振蕩,因為系統無法消除多余的余差。通過加入積分部分,只要偏差還存在,輸出就會不斷累積,一直到偏差為零,累積才會停止。所以,積分控制可以消除余差。

                    微分:通過求誤差的改變率來預測未來的誤差。計算誤差的一階導數,并乘以一個正常數。為什么還要加這部分呢?在控制對象運行比較慢的系統里,比例積分控制一般也就夠用了,但是對相對運行較快的控制對象還有些不足之處。因為比例積分只能對當前和過去作出反應,卻不能預測即將到來的誤差趨勢,往往會有一個“時間滯后”的問題。舉個簡單的例子,比如我們開車打方向盤的時候,如果當前速度很快,那么方向要打得很快,不然偏差就大了,速度慢的話,慢慢打也還來得及。PID 控制器里的微分部分也是這個道理,根據偏差變化的速度大小來預計將要出現的情況,提前進行過量控制,“防患于未然”。

                     

                    未完。。。

                    全文詳見《無線電》2014.07




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