本發(fā)明自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種磁懸浮系統(tǒng)自懸浮裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

由于在高速條件下，摩擦力所產(chǎn)生的能量消耗十分巨大。在這種前提下，國家對(duì)磁懸浮技術(shù)的大力發(fā)展，通過磁力，使兩個(gè)設(shè)備不接觸，從而大大減少接觸摩擦力。磁懸浮球?qū)嶒?yàn)作為磁懸浮研究的入門技術(shù)而逐步進(jìn)入高校的實(shí)驗(yàn)室中，通過磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置，使得學(xué)生對(duì)一類非線型本質(zhì)不穩(wěn)定的系統(tǒng)有深入認(rèn)識(shí)和研究，在高校工程類系列實(shí)驗(yàn)中占有重要地位。可配合控制類、信息類專業(yè)的相關(guān)理論課程開展系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)和研究。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容新穎、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀有效，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣及研究熱情。同時(shí)，在各種的大型博物館，也逐步考慮磁懸浮裝置，通過生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，使孩子們激發(fā)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的熱情。

在這種條件下，市面上的磁懸浮裝置多采用工業(yè)攝像機(jī)來定位的方式，其占地面積大、調(diào)試不變、處理器要求高、操作復(fù)雜，同時(shí)必須由兩名操作員進(jìn)行操作，一名操作員將鋼球放置在指定位置，另一名操作員進(jìn)行調(diào)試。對(duì)于科研人員來說，其參數(shù)不可見，操作繁瑣，成本高通用性不強(qiáng)，調(diào)試?yán)щy。置于展館來說，無法做很好的保護(hù)裝置，存在安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提出一種自動(dòng)懸浮的磁懸浮裝置及其控制方法，以期能實(shí)現(xiàn)鋼球的自動(dòng)懸浮，從而能簡(jiǎn)化操作流程，節(jié)約操作人員，方便調(diào)試、方便設(shè)置保護(hù)裝置增加整體的安全系數(shù)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

本發(fā)明一種磁懸浮自懸浮裝置的特點(diǎn)包括：懸浮實(shí)驗(yàn)架，電磁鐵，光源，硅光電池傳感器，一對(duì)位置傳感器，鋼球、控制箱；

所述懸浮實(shí)驗(yàn)架是由底板、頂板和四個(gè)立柱構(gòu)成；在所述頂板下表面的中間位置處設(shè)置有所述電磁鐵；在所述頂板的兩側(cè)分別設(shè)置有所述光源和所述硅光電池傳感器；在處于任意對(duì)角線的一對(duì)立柱上設(shè)置有所述一對(duì)位置傳感器；在所述底板中心的凹槽內(nèi)設(shè)置有所述鋼球；

所述控制箱通過信號(hào)線與所述電磁鐵、一對(duì)位置傳感器、光源和所述硅光電池傳感器相連，并為所述光源提供電源。

本發(fā)明一種利用所述的磁懸浮自懸浮裝置的控制方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、所述控制箱上電，并為所述電磁鐵提供恒定的大電流，使得所述鋼球從底板上向所述頂部作加速的吸附上升運(yùn)動(dòng)；

步驟2、當(dāng)所述鋼球經(jīng)過所述一對(duì)位置傳感器的采取區(qū)時(shí)，所述一對(duì)位置傳感器采集所述鋼球的第一位置信號(hào)并提供給所述控制箱；

步驟3、所述控制箱根據(jù)所接收的第一位置信號(hào)，將所述電磁鐵的電流大小調(diào)節(jié)到所設(shè)定的閾值，使得所述鋼球作減速的吸附上升運(yùn)動(dòng)；

步驟4、若所述鋼球達(dá)到所述光源和所述硅光電池傳感器之間的感應(yīng)區(qū)內(nèi)時(shí)，執(zhí)行步驟；若所述控制箱利用所述一對(duì)位置傳感器采集到所述鋼球的第二位置信號(hào)時(shí)，所述控制箱重新上電；

步驟5、所述控制箱利用所述硅光電池傳感器獲取被所述鋼球部分遮蓋的光源的光強(qiáng)信號(hào)，并利用模糊算法控制所述電磁鐵的電流大小，使得所述鋼球最終懸浮在所述感應(yīng)區(qū)內(nèi)；

步驟6、當(dāng)所述控制箱切斷所述電磁鐵的電流時(shí)，所述鋼球自動(dòng)下落至所述底板的凹槽中。

本發(fā)明所述的磁懸浮自懸浮裝置的控制方法的特點(diǎn)也在于：當(dāng)所述鋼球懸浮在所述感應(yīng)區(qū)內(nèi)時(shí)，還能通過PID算法控制所述電磁鐵的電流大小，使得所述鋼球按照正弦波的形式作上下擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明通過搭建一個(gè)鋼球懸浮的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了僅需要一個(gè)操作員進(jìn)行調(diào)試便能使鋼球的自動(dòng)懸浮。在控制系統(tǒng)中，本發(fā)明中控制系統(tǒng)可以觀測(cè)變量的狀態(tài)，并可以進(jìn)行控制量的實(shí)時(shí)修改，降低了調(diào)試的難度。由于鋼球可以自動(dòng)懸浮，不需要人手放到指定位置，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行防護(hù)裝置設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的安全性。本發(fā)明中采用主控板的模式，減小了設(shè)備的占地面積，更適合空間較小的場(chǎng)合。

2、本發(fā)明通過設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其底部放置一個(gè)鋼球，其對(duì)角立柱上有2個(gè)位置傳感器，在頂部的中間設(shè)置有電磁鐵，兩端設(shè)置了光源和光電傳感器，進(jìn)行精確地位置測(cè)量。當(dāng)控制箱上電時(shí)，上方電磁鐵通電給鋼球吸力，使鋼球收到較大的力做向上運(yùn)動(dòng)，不需要操作人員手動(dòng)放置到指定位置，簡(jiǎn)化了操作流程，節(jié)省了操作人員。

3、本發(fā)明通過位置傳感器檢測(cè)鋼球經(jīng)過指定位置，從而減少了電磁鐵吸力，使鋼球進(jìn)入光電檢測(cè)范圍，之后通過控制方法使其最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)懸浮。由于采用光電檢測(cè)替換工業(yè)攝像機(jī)的方式，減少了控制所需的硬件要求，簡(jiǎn)化了圖像分析處理過程，簡(jiǎn)化了整個(gè)的控制流程。

4、本發(fā)明采用控制箱的控制方式，控制箱可以直接放在支架下面，節(jié)約了占地面積。

5、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)懸浮，之后僅需將一些控制線通過線槽孔引出來，其它即可全部封好，提高了整套系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的主控箱結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的主控板結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)示意圖；

圖中標(biāo)號(hào)：1為鋼球，3為電磁鐵，4為一對(duì)位置傳感器，6為光源，7為光電傳感器，8為支撐架。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中，磁懸浮自懸浮裝置如圖1所示，包括：懸浮實(shí)驗(yàn)架8，電磁鐵3，光源6，硅光電池傳感器7，一對(duì)位置傳感器4，鋼球1、控制箱；其具體安裝如圖4所示：

懸浮實(shí)驗(yàn)架8是由底板、頂板和四個(gè)立柱構(gòu)成；在頂板下表面的中間位置處設(shè)置有所述電磁鐵3；在頂板的兩側(cè)分別設(shè)置有所述光源6和硅光電池傳感器7；在處于任意對(duì)角線的一對(duì)立柱上設(shè)置有一對(duì)位置傳感器4；在底板中心的凹槽內(nèi)設(shè)置有鋼球1；

控制箱通過信號(hào)線與電磁鐵3、一對(duì)位置傳感器4、光源6和硅光電池傳感器7相連，并為光源6提供電源；控制箱組成如圖2所示，包含有主控板、電流放大器和電源處理單元。其中主控板主要負(fù)責(zé)信號(hào)的控制和調(diào)整，電流放大器模塊將控制板中輸出的電流信號(hào)進(jìn)行放大給圖4中的電磁鐵模塊，電源處理單元為其他的所有模塊進(jìn)行供電。

本實(shí)施例中，磁懸浮自懸浮裝置的控制方法是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、控制箱中的電源處理模塊收到外部所給的220V電壓，將其轉(zhuǎn)換為各部分所需的電壓，為其他各部分供電，之后控制箱通過電流放大器為電磁鐵提供恒定的大電流，使得鋼球受到比較大的吸引力作用從底板上向作的吸附上升運(yùn)動(dòng)；最初的大電流可以使鋼球獲得一個(gè)較大的力，克服其重力使其做向上運(yùn)動(dòng)。在向上運(yùn)動(dòng)的過程中，由于吸力隨距離的減少而顯著增加，所以加速度會(huì)逐漸增加。

步驟2、當(dāng)鋼球經(jīng)過一對(duì)位置傳感器的采取區(qū)時(shí)，一對(duì)位置傳感器采集鋼球的第一位置信號(hào)并提供給控制箱；

步驟3、控制箱根據(jù)接收的第一位置信號(hào)，將電磁鐵的電流大小調(diào)節(jié)到設(shè)定的閾值，使得鋼球作減速的吸附上升運(yùn)動(dòng)；設(shè)定的閾值所產(chǎn)生的電流會(huì)使得電磁鐵的力減小到小于重力，使得鋼球上升的減少，但是鋼球由于依然具有向上的速度，所以依然做向上的運(yùn)動(dòng)。但是由于吸引力隨距離的減少而增大，因此其減速度也逐漸減少。

步驟4、若鋼球達(dá)到光源和硅光電池傳感器之間的感應(yīng)區(qū)內(nèi)時(shí)，執(zhí)行步驟5。步驟5是當(dāng)鋼球正常懸浮時(shí)的狀態(tài)。若控制箱利用一對(duì)位置傳感器采集到鋼球的第二位置信號(hào)時(shí)，說明鋼球并未能正常懸浮，控制箱重新上電；如多次重復(fù)鋼球仍未能進(jìn)入正常懸浮狀態(tài)，請(qǐng)適當(dāng)增大閾值電流大小。

步驟5、控制箱利用硅光電池傳感器獲取被鋼球部分遮蓋的光源的光強(qiáng)信號(hào)，并利用模糊算法控制電磁鐵的電流大小，使得鋼球最終懸浮在感應(yīng)區(qū)內(nèi)；本實(shí)施例中，其鋼球遮擋部分光源，使硅光電池所感受到的光強(qiáng)信號(hào)變化，導(dǎo)致產(chǎn)生變化的電流。之后變化的電流通過數(shù)據(jù)信號(hào)線傳遞給控制箱中的主控板。變化的信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集單元傳遞給主控板。主控板內(nèi)部組成如圖3所示，包括主控芯片、AD轉(zhuǎn)換模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、電源調(diào)理電路、外部擴(kuò)展接口。其中主控芯片中通過已經(jīng)建立好的模糊算法對(duì)通過AD模塊進(jìn)入信號(hào)進(jìn)行處理，采用模糊控制的原因是由于每次上升到光電觀測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，速度不能保證一致，所以PID控制并不能很好的實(shí)現(xiàn)效果。通過模糊量的劃分，建立合適的模糊推理，確定搭建的模糊規(guī)則，之后選擇合理的解模糊算法，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制。模糊控制之后將處理好的信號(hào)通過主控板中的DA模塊給電流放大器模塊，之后將電流放大器模塊產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流給電磁鐵，之后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的吸力，控制鋼球運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)鋼球的穩(wěn)定懸浮。其中的電源調(diào)理模塊主要為主控板提供穩(wěn)定的電源。其中外擴(kuò)接口模塊是為了方便日后做升級(jí)換代所需要的預(yù)留接口。在本次實(shí)例中，控制算法的實(shí)現(xiàn)是基于MATLAB軟件中的simulink模塊，通過更改好的針對(duì)對(duì)應(yīng)主控芯片的接口模塊，將采集的數(shù)據(jù)接口和輸出的控制接口與軟件中所搭建的模型相對(duì)應(yīng)，將模型自動(dòng)生成的控制程序燒寫進(jìn)入主控芯片中。同時(shí)針對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)，提供一個(gè)上位機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)變量的顯示以及控制系數(shù)的在線修改。當(dāng)鋼球?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)懸浮之后，可以通過切換控制模式，實(shí)現(xiàn)鋼球有規(guī)律的上下擺動(dòng)。當(dāng)在僅僅需要展示的場(chǎng)合，可以在裝置外部增加保護(hù)罩，實(shí)現(xiàn)裝置的安全可靠性能。

步驟6、當(dāng)控制箱切斷電磁鐵的電流時(shí)，鋼球自動(dòng)下落至底板的凹槽中。之后方便下一次鋼球重新懸浮。

當(dāng)鋼球懸浮在感應(yīng)區(qū)內(nèi)時(shí)，還能通過PID算法控制電磁鐵的電流大小，使得鋼球按照正弦波的形式作上下擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。