（电机与电器专业论文）物体磁悬浮系统电气控制若干问题研究.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e m lt e c h n o l o g yf i n di t s 谢d ea p p l i c a t i o nt r a n s p o r t a t i o n , m e t a l l u r g y ，m a c h i n e r y ，s p a c e f l i g h t a n do t h e rf i e l d s ，b u tt h e t e c h n o l o g y o f e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o ns y s t e mf o rm a n ya s p e c ts t i l li sd e v e l o p i n g w ea c c e p tap a r t o ft h a tw o r k b e f o r et h i sr e s e a r c h ，t h er e l e v a n tp e r s o n n e lh a sd e s i g n e da n ds t u d i e do n d e v i c e sa n df e a s i b i l i t yo fe l e c t r o m a g n e t i c - m a g n e t i cs u s p e n s i o ns y s t e m o nt h i sb a s i s ， t h ea r t i c l ew i l lr e s e a r c ha n dd e s i g ne l e c t r i c a lc o n t r o lo fs u s p e n d e ds o l i d p o s i t i o no f e l e c t r o m a g n e t i c m a g n e t i cs u s p e n s i o ns y s t e m f i r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e ss o m ei m p o r t a n tc o n t e n t a b o u te l e c t r o m a g n e t i c m a g n e t i cs u s p e n s i o ns y s t e mw h a tt h er e l e v a n tp e r s o n n e lh a sd e s i g n e da n d s t u d i e d ，a n d u s ei ta st h ed e s i g nb a s i sf o rt h i s s e c o n d l y ，o nt h i sb a s i sr e v i e w i n gt h er e l e v a n tk n o w l e d g et h a tc a nu s ei nt h i s d e s i g n , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dp u tf o r w a r dt h ed e s i g n s c h e m e t h e n , t h i st h e s i si n t r o d u c e sm a i nh a r d w a r ew h i c hw a su s e di na ne l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i c m a g n e t i cs u s p e n s i o ns y s t e m f i n a l l y ，t h i ss t u d yr e s e a r c h e se l e c t r i cc o n t r o lw a yo fe l e c t r o m a g n e t i c m a g n e t i c s u s p e n s i o ns y s t e mi nd e p t h ，t h e nd e s i g n sp i d e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n df u z z yp i d e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h i st h e s i sa p p l i e st h ep i de l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mi nt h e p r a c t i c a lo p e r a t i o n ，m a k i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i c - m a g n e t i cs u s p e n s i o ns y s t e mc a r r yo u t p r e l i m i n a r y is u m m a r i z et h ei n s u f f i c i e n c yo f t h ew h o l es y s t e ma n dp r e d i c tt h ed e v e l o p d i r e c t i o no fn e x ts t e p k e y w o r d s ：p i dc o n t r o l ，f u z z yp i dc o n t r o l ，m s c o m m ，e l e c t r o p e r m a n e n t s u s p e n s i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：垦塑日期竺! ! ：0t 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在_ 年解密后适用本授权书。 太 答幺犀峨私 本人签名：丝! 兰竺 导师签名：笸阵 口甘日z 。加夕上， 日期兰! ! ：三：= 日期垒丝：三 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 当今时代电磁悬浮技术应用越来越多，这门技术是利用磁场产生的磁力来克 服重力，使悬浮物体无接触悬浮于空中的技术，是一门综合材料学、电磁学、控 制理论、电力电子技术、信号处理以及计算机科学等众多领域的边缘学科，技术 含量高，应用前景十分广阔 由于磁悬浮技术具有无摩擦、噪音小、不需要润滑等特点，近年来，磁悬浮 技术已广泛应用于各种具有高速、高精度控制以及需要真空、超净加工环境等特 殊的工业领域。如：磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮隔振器、磁悬浮机床进给 平台、精密光刻定位平台等。关于磁悬浮的技术讨论与研究也很多，但从近期看， 磁悬浮技术及其派生出来的相关技术大都集中在对磁悬浮列车及电动机磁轴的问 题上，并且在对该技术的研究主要存在两个问题：一是可供实际研究的电磁悬浮 系统的悬浮位移过小；二是技术方法一般复杂，可供实际操作的不多。因此电磁 一永磁混合悬浮系统还有许多需要研究的地方。本文之前相关人员已对电磁一永 磁混合悬浮系统研究的装置和可行性进行了设计与研究，本文将在此基础上对电 磁一永磁混合悬浮系统进行悬浮物位置电气控制上的研究，通过传感器对悬浮物 位置的测定及工控机给出相应的平衡位置，再通过对数据的通信与控制使电磁一永 磁混合悬浮系统能在各个平衡位置实现比较稳定的悬浮。 本文主要的任务是完成对悬浮物体悬浮位置的控制，而自动控制理论至今已 有近一个世纪的发展史，经历了经典控制理论和现代控制理论两个阶段后，正致 力于智能控制理论的研究。人工智能包括推理，学习和联想三大要素，这不是采 用纯数学建模的方法，而是将相关专家的知识和思维决策过程由计算机来模仿和 实现。第五代计算机的研究充分体现了人类的逻辑推理功能，而下一步是模仿人 类的模糊信息处理能力。 模糊是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。模糊比 清晰所拥有的信息量理工大。模糊控制理论是由美国学者加利福尼亚大学的著名 教授l a z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出的，至今仅有4 0 年的时间。 模糊理论的天空最早始于模糊逻辑数学，用语言规则描述知识和经验的方法， 并结合先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的一种高级控制策略。近几年来， 模糊控制得到了更多的应用与发展。 经典控制理论首先被使用于线性常规系统的自动化领域，p i d 控制就是一种普 2物体磁悬浮电气控制系统若干问题研究 遍而有效的控制方法；随着计算机技术和自动控制理论的发展，现代控制理论和 先进控制理论在大规模线性多变量系统中也得到广泛应用，但是，对于非线性复 杂系统，这些控制策略却难以适用，它们不仅算法相当复杂，而且无望获得满意 的结果。 而模糊p i d 控制器利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则，对p i d 控制的比 例、积分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想的控制效果。模糊p i d 控制共 包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、p i d 控制器等几个重要组成部分。 计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差e 以及当前 的偏差变化e c ，模糊化后进行查表，输出p i d 控制器的比例、积分、微分系数。 1 2 前期研究人员所作的工作介绍 对于电磁永磁体悬浮，前期研究人员已经作了大量工作。主要有对可行性 的研究，对电磁铁和永磁体的设计等。 前期工作人员在通过一系列的实验，并且对电磁铁和永磁体材料进行大量数 据分析和计算并且利用a s o f tm a x w e l l3 d 软件进行丰富的仿真基础上，根据米级电 磁一永磁混合悬浮系统设计指标设计出了电磁一永磁混合悬浮系统。设计结果如 下。 一、米级电磁一永磁混合悬浮系统的混合直流电磁铁设计【2 8 】 1 明确系统的悬浮样品直径为4 0 0 m m ，混合直流电磁铁采用斥力对其进行悬 浮； 2 采用单个电磁铁，外形为直筒型，铁芯上下底面分别贴永磁铁； 3 考虑大位移悬浮，通电电流较大，采用片状玻璃丝包铜线； 4 考虑电磁铁的散热，采用风冷设备。 所设计混合直流电磁铁的结构如图1 1 给出，参数由表1 1 给出 表1 1 电磁一永磁混合悬浮系统的电磁铁参数 参数电磁铁电磁铁电磁铁线电磁铁线电磁铁永磁铁永磁铁电磁铁 铁芯直铁芯厚圈内直径圈外直径线圈厚直径厚度厚度 径 度度 变量d d m mt 1 m md l r a md 2 m mt 2 m md 3 m mt j m mt 枷m 数值 4 0 03 0 04 0 08 0 03 0 04 0 02 54 5 0 此电磁铁设计由前期研究人员设计完整后，由专门的机电加工厂加工完成并 与工作组和相关人员共同实验，最后投入到工作试验台。下图是米级电磁一永磁 混合直流电磁铁结构图 第一章绪论 3 永磁铁 ，0 ，0 ，一，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 j 、，小、? 巧 、 、 、 i j 、 、1 、 1 1 l 1 l 、 、 、 、i j 7 一、：心i 、j永磁铁 i 夕二 、 ，| ，0 ，0 ，0 ，0 、 ，哆 风机 、 1支架 77 矿” ，、扩 7 7 77 7 7 ? 、_ 、l 、? 、l 图1 1 米级电磁一永磁混合直流电磁铁结构图 二、米级电磁一永磁混合悬浮系统的永磁铁设计【2 8 1 现有技术所制造的成品永磁铁最大为直径5 0 m m ，厚度1 0 r a m 的圆片状永磁铁及 边长5 0 m m ，厚度2 5 m m 的方形永磁铁，而本实例所采用的永磁铁为直径4 0 0 m m ，厚度 2 5 r a m 的圆片状永磁铁，无成品，拟采用“拼接法”加工所要求尺寸的永磁铁，参 数如下表，图4 3 所示为采用“拼接法”加工成的大永磁铁结构图。 表1 2 电磁一永磁混合悬浮系统的悬浮样品参数 参数样品材料样品直径样品厚度 样品体积样品密度样品重量 变量 m a t e r i a l d o m m t o m mv o c m 3po 倌c m - 3 m o k g 数值 n d f e b4 0 02 53 1 4 07 42 3 2 4 表1 3 现有永磁铁物理参数 参数材料 边长厚度体积密度重量 变量 m a t e r i a l o o m mt o m mv o c m p 以c i i i 3 m o g 数值 n d f e b5 0 2 56 2 57 44 6 2 5 米级直流电磁铁和永磁悬浮体设计完成后，工作组下一步的工作便是把他们和 系统中的其它硬件结合起来形成一个系统，并可以通过改变输入量人为的调节控 制悬浮体的悬浮位置。这其中有很多工作要作，选择传感器，固定悬浮体悬浮轨 道，连接各硬件线路等等。 下图为电磁一永磁混合悬浮系统模型 物体磁悬浮电气控制系统若干问题研究 圈12 电磁悬浮系统模型 1 3 本文的主要工作 在前期工作人员的电磁铁和永磁悬浮体设计的基础上，本文对悬浮物体悬浮 位置的电气控制进行了深入研究。悬浮物的位置信号通过传感器经过a d 转换器传 入工控机，并利用v i s u a lb a s i c 软件在工控机中设计t p d 控制及模糊p i d 控制的程 序，使工控机经过运算给出能使悬浮物达到目的给定位置的电压，然后用工控机 控制电源，最后由电源控制电磁铁实现悬浮物的位置控制，得到了较好的结果。 本论文的结构安排如下： 第一章：概述了电磁悬浮系统中永磁悬浮体悬浮位置的电气控制研究背景和意 义，并介绍了相关人员的前期工作，提出了本论文的研究方向。 第二章：通过对设计电磁悬浮系统部悬浮体位置的电气控制所需知识的介绍为 下面的设计工作打下基础。 第三章：主要对系统中所用到的硬件作一个说明，对需要用到的性能和功能给 以介绍。主要对工控机和电源作了介绍。 第四章：重点分析了电磁悬浮系统中永磁悬浮体悬浮位置的p i d 控制设计与模 糊p i d 控制设计，并对它们进行仿真且在实际应用研究中进行调试，并比较其效 果。 第五章：对本文工作进行了总结并指出存在的问题和下一步的研究方向 第二章建立磁悬浮电气控制系统的基本理论5 第二章建立磁悬浮电气控制系统的基本理论 要实现磁悬浮电气控制系统的建立，需要掌握软件应用，了解硬件性能， 学习通信工程，自动控制等各种知识。本文第二章将主要介绍建立磁悬浮电气控制 系统所要应用的各种基础知识。 2 1v i s u a lb a s i c 程序设计基础 2 1 1v i s u a lb a s i c 简介 v i s u a lb a s i c ( 以下简称v b ) 语言易学易懂，是一个易于掌握的优秀软件开发平 台。它是一种通用的视化程序设计语言。除了提供常规的编程环境外，还提供了 一套可视化设计工具，便于程序员建立图形对象，巧妙地把w i n d o w s 编程的复杂简 单化。v b 以结构化b i s i c 语言为基础，以事件驱动作为运行机制，不但可以作为 媒体软件制作工具，实现数据库的管理，而且还具有网络功斛引。 v i s u a lb a s i c6 0 是一种功能强大、简单易学的程序设计语言。它不但保留了原 先b a s i c 语言的全部功能，而且还增加了面向对象程序设计功能。v b 不需编写大 量代码去描述界面元素的外观和位置，而只要把预先建立的对象添加到屏幕上的一 点即可。【3 】 “b a s i c 指的是b a s i c ( b e g i n n e r s a l l - p u r p o s es y m b o l i ci n s t r u c t i o nc o d e ) 语言， 一种在计算技术发展史上应用得最为广泛的语言。v i s u a lb a s i c 在原有b a s i c 语言 的基础上进一步发展，至今包含了数百条语句、函数及关键词，其中很多和w i n d o w s g u i 有直接关系。专业人员可以用v i s u a lb a s i c 实现其它任何w i n d o w s 编程语言 的功能，而初学者只要掌握几个关键词就可以建立实用的应用程序。 9 1 v i s u a lb a s i c 不仅是v i s u a lb a s i c 编程语言。v i s u a lb a s i c 编程系统，m i c r o s o f t e x c e l 的a p p l i c a t i o n se d i t i o n , ，m i c r o s o f ta c c e s s 和w i n d o w s 的许多其他应用程序都 使用这一语言。从开发个人使用或小组使用的小工具，到大型企业应用系统，甚至 通过i n t e r a c t 的遍及全球分布式应用程序，都可在v i s u a lb a s i c 提供的工具中各取 所需。 同时，v b 不仅可以方便快捷地编制适用于数据处理、多媒体等方面的程序， 而且利用a c t i v e x 控件m s c o m m 还能十分方便地开发出使用计算机串口的计算机 通信程序。 物体磁悬浮电气控制系统若干问艇研究 2 1 2v i s u a lb a s i c 的开发环境及应用介绍 v b 的集成开发环境是提供设计，运行和测试应用程序所需要的各种工具互相 协调，互相补充大大减少了应用程序的开发难度。v b 6 集成开发环境布局如图 2 1 所示。 图21v b 6 的集成开发环境 窗体的最上层是“v b6 0 的菜单”和“便捷工具按钮”，菜单中包含了所有的v b 提供的功能的选项，而其中一些常用的功能或操作选项则被提取出来放在了“便捷 工具按钮，中，通过点击这些快捷按钮可以加快程序开发的速度。 左边是“v b 的组件面板”，中间是“窗体设计区域”，v b 提供了方便的宙体设计 区域，它位于整个编程窗口的中间。我们可以在这个区域中措建出美观实用的程 序界面，可以从“v b 的组件面板”中找到相应维件，点击选中后，再到“窗体设计区 域”的窗体上点一下，这时，窗体上会出现该组件，这样我们就把组件添加到我们 程序的界面中了。组件面板是v b 提供给我们的标准的编程组件( 控件) ，它把程序 设计中常常用到的诸如按钮、图片框、列表框等等东西作好了放在那里，我们如 果要使用只须添加到窗体中即可。 屏幕的右边有三个从上到下排列的小窗口，它们分别是：围22 “v b i 程管理 器”，图23 “组件属性窗口”，图24 “窗体布局窗口”。 第二章建立磁悬浮电气控制系统的基本理论 日蜀晤 ” 目p 哆工程l ( 工程1 ) 留宙体 邑f 口r m l0 0 r m l ) 气m ) 工f 一1 f 1 ) j 酋梗块 武m o el o “e 1 ) | = ，粪桓块 盘瓤露翻嘲目置曩 ih i 图2 2 “v b 工程管理嚣” 图23 “组件属性宙口” 图24 “窗体布局窗口” “v b 工程管理器”：用来管理开发一个v b 程序所需要的各种类型的窗体和模块，如左图 是一个工程所包含的东西，窗体是一个程序表 现在外面的界面、模块是程序内部使用的代码。 当我们点击“添加窗体”便捷工具按 钮后左图的“v b 工程管理器”中就会显示出 新添加的窗体，这也就是“v b i 程管理器”的 功能，它使我们从总体上把握程序开发的各个 部分。 “组件属性窗口”用来显示组件的属性，并允 许我们修改，设定这些属性的值，我们在窗体设 计区域的窗体上选中一个组件，以按钮为例，则 在“属性窗口”中会列出它的属性，我们可以看 到常用的“n a m e ”、“c a p i t i o n ”、“f o n t ”等 等属性试着把“c a p i t i o n ”属性改为“这是一 个按钮”，然后看看“窗体设计区域”的按钮上 显示的文字是不是改变了。 调整程序运行时，程序窗体在屏幕中的初始位 置，把鼠标移到左图屏幕中的窗体上，这时鼠标会 变成移动形状，拖动宙体，就设置好了运行时此窗 体的位置。 最下面的一个窗口就是“代码编辑区域”，当 我们在“窗体设计区域”双击鼠标，就能弹出这个 区域，可以看到一行行的v b 程序显示在其中，我们 可以修改，写入程序代码，来让程序实现一定的功 能，它是整个程序设计的关键 2 2 计算机数据通信与a d d a 转换 在磁悬浮电气控制系统中，计算机间的数据通信是必不可少的，传感器探测 8 物体磁悬浮电气控制系统若干问题研究 到悬浮物体的位置后把它进行a d 转换传送到测量机，再由测量机( 客户机) 把 数据整理后传入工控机。再由工控机经过计算输出控制数据，经过d a 转换后送 入电源控制电压。本节主要介绍数据通信和a d d a 转换的基本知识。在实验应用 中所用的是串口通信，因此这里认识一下串行通信技术。 2 2 1 串行数据通信 串口通信是通过串行口来进行了的通信，它的数据和控制信息是一位接一位 的传送下去的。与并口相比虽然速度较慢但传送距离较长，因此常应用于需要长 距离通信而对速度又要求不高的场合。 串行通信主要涉及以下几个方面的概念：单工，半双工和全双工，同步通信 和异步通信，波特率和收发时钟频率。下面分别介绍这几个概念。 一、单工，半双工和全双工【2 j 如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方a 传到另一方b ，则称为单工。 就像以前用的b p 机一样，只能由电信传入b p 机信息，而b p 机不能回传。如果在 任意时刻，信息既可以由a 传到b ，又能由b 传到a ，但由于两个通信方向使用的 是同一条信息通道，因此同一时间只能有一个方向上的传输存在，这种传输方式 称为半双工。在该方式下，收发方向主要是通过软件协议来控制的，接收和发送 只能交替进行。如果在任意时刻，线路上存在a 到b 和b 到a 的双向信号传输， 此时两个方向的信号使用不同的信道，二者不会产生互相干扰，因此可以进行同 时传输，这种传输方式称为全双工。全双工使用停产划分技术，通信的每一端都 包含发送器和接收器，可以同时了送和接收数据。就像电话你给对方讲话的同时 也可以听到对方的声音。 二、同步通信和异步通信【2 】 串行通信中，数据传输的方法有两种，一种是异步通信，一种是同步通信。 异步通信以一个起始位表示一个字符的开始，以停止位表示其结束。其传输 格式如图8 1 所示。 1l l 竺l ：竺i ：竺i ：竺l ：竺l ：竺j ：竺l ：竺l ：竺l ：竺l 1l 起i 数 。校 停 始i据l 验止 镝i 镣i 博 图2 5 异步通信的格式 第二章建立磁悬浮电气控制系统的基本理论 9 从图中可以看出，起始位占用1 位，数据为5 - 8 位，其长度取决于传输数据 的类型，先传输低位，后传输高位。数据后面为校验位，如设置为偶校验，则数 据及校验位的1 的个数为偶数。如设置为奇校验，则数埚及校验位的l 的个数为 奇数。最后是停止位，停止位可根据需要设置为1 位、12 位或2 位。在异步通信 中，每一位占用的时间是数据传输速率( 波特率) 的倒数。如果传输波特率为2 4 0 0 ， 则每一位的时间为1 2 4 0 0 s ，即0 4 1 6i l l s 。如果传输一个a s c i i 码，数据占7 位， 起始位、校验位、停止位各占1 位，则传送一个a s c i i 码占用l o 位。用2 4 0 0 的 波特率，每秒能传输2 4 0 个a s c i i 码。异步通信常用的传输波特率为1 5 0 ，- - 3 8 4 0 0 。 异步通信在发送时，以起始位表示字符的开始，以停止位表示字符的结束。接收 端则利用这些分隔符把一个串行数据变换为并行数据。这种通信方式易于实现， 即使在传输过程中不连续发送，也不会产生不同步的问题。但由于每传送一个字 符都要加上2 - 3 位用于同步，使其传输效率降低。 同步通信不同于异步通信，同步通信使用数据块传送信息，而不是字节，因 此省去了每个字节的起始位等数据，提高了通信的速率。同步通信的每个数据块 的开始使用同步字符，使接收和发送同步，其通信格式如下： 同步通信使用同步字符使接收和发送方时序同步，数据连续传送，期间不允 许出现空隙，当无数据发送时，发送同步字符。与异步通信相比，同步通信发送 的数据量大，速度快，常用于传输速率要求较高的场合。 三、波特率和收发时钟频率嘲 计算机通信速度的单位称为波特率，波特率是指单位时间内传送的信息量， 信息量单位为b i t ，时间单位为秒，因此：1 波特= 1 位秒= l b i t s = l b p s ，举例来说， 如果在异步通信中使用1 个起始位，5 个数据位，无奇偶校验位，1 个停止位，则一 帧的长度为7 b i t ，如果应用中要求在1 秒内传送1 0 0 0 个字符，则需要将波特率设为： 7 位字符1 0 0 0 字符秒= 7 0 0 0 b i t s = 7 0 0 0 b p s在异步串行通信中，接收方和发 送方就使用相同的波特率，才能成功传送数据。 收发时钟是指控制通信设备接收或发送字符的时钟信号，通常一个位持续时 间中，会有多个收发时钟周期，收发时钟频率的大小影响同步的准确性。波特率 一般为收发时钟频率的n 分之一。同步传送方式下，n 的值为1 ，异步方式下，n 的 值可以被设为l ，1 6 ，或6 4 。 l o 物体磁悬浮电气控制系统若干问题研究 2 2 2pc 机通信技术 实际应用中p c 机和p c 机以及p c 机与单片机之间的通信问题常常遇到，而其都 具有串口，因此串口通信比较常用，这就需要在p c 机端设计相应的串口通信程序。 在w i n d o w s 环境下，串口是系统资源的部分。应用研究程序要使用串口进行 通信，必须在在使用之前向操作系统提出资源申请要求( 打开串口) ，通信完成 后必须关闭串口。在w i n d o w s 系统函数中，均包含了支持通信中断的功能。对串口 通信而言，w i n d o w s 为相应的串口设备开放了用户定义的输入缓冲区和输出缓冲 区，应用程序只能对输入输出缓冲区进行操作，数据进出串口的操作均由后台完 成。以按收为例，系统每接收到一个字符就产生一个低级的硬件中断，系统的串 口驱动程序将接收到的字符送入输入缓冲区，此时应用程序就可能通过访问输入 缓冲区得到接收到的字符信息。 w i n d o w s 为用户提供了两种方式实现串行通信：一、使用串口通信控件m s c o m m 二、使用w i n d o w s 的a p i 应用程序接口。使用m s c o m m 控件进行串口程序开发极为方 便，如果不需要对串口进行高级控制，一般多选择使用它来进行开发。 2 1 m s c o m m 控件提供了两种处理通信的方式：一种为事件驱动方式，该方式相当 于一般程序设计中的中断方式。当串口发生事件或错误时，m s c o m m 控件会产生 o n c o m m 事件，用户程序可以捕获该事件进行相应处理：另一种为查询方式，在用 户程序中设计定时或不定时查询m s c o m m 控件的某些属性是否发生变化，从而确定 相应处理，在程序空闲时间较多时可以采用该方式。1 2 j 2 、几个重要属性【2 】田】 ( 1 ) i n p u t m o d e 确定i n p u t 属性的类型，即以什么形式读出所收的数据。例如，假设收到一 个数6 5 ，若i n p u t m o d e 设为文本模式，那么i n p u t 属性为s t r i n g 类型，使用i n p u t 属性读出数据时就返回一个字符“a ；若i n p u t m o d e 设为二进制模式时，i n p u t 属性为b y t e s 型，使用i n p u t 属性返回的就是6 5 。而当所收的数据为0 - 2 5 5 中任 意一个时，只能使用二进制模式，否则无法正确接收数据。实际应用中，特别是 与单片机或p l c 通信时常使用二进制模式。 ( 2 ) r t h r e s h o l d 该属性为一个阀值。当接收缓冲区中字符数达到该值时，m s c o m m 控件设置 c o m m e v e n t 属性为c o m e v r e c e i v e ，并产生o n c o m m 事件。用户可在o n c o m m 事件处 理程序中进行相应处理。若r t h r e s h o l d 属性设置为0 ，则不产生o n c o m m 事件。例 如用户希望接收缓冲区中达到一个字符就接收一个字符，可将r t h r e s h o l d 设置为 l 。这样接收缓冲区中接收到一个字符，就产生一次o n c o m m 事件。 第二章建立磁悬浮电气控制系统的基本理论 l l ( 3 ) s t h r e s h o l d 该属性亦为一个阀值。当发送缓冲区中字符数小于该值时，m s c o m m 控件设置 c o m m e v e n t 属性为c o m e v s e n d ，并产生o n c o m m 事件。若s t h r e s h o l d 属性设置为0 ， 则不产生o n c o m m 事件。要特别注意的是仅当发送缓冲区中字符数小于该值的瞬间， 才产生o n c o m m 事件，其后就不再产生o n c o m m 事件。例如s t h r e s h o l d 设置为3 ， 仅当发送缓冲区中字符数从3 降为2 时，m s c o m m 控件设置c o m m e v e n t 属性为 c o m e v s e n d ，同时产生o n c o m m 事件，如发送缓冲区中字符始终为2 ，则不会再产生 o n c o m m 事件。这就避免了发送缓冲区中数据未发送完就反复发生o n c o m m 事件。 ( 4 ) i n b u f f e r c o u n t 用以告诉用户，已收到多少字节的数据。例如若i n b u f f e r c 叫n t 为8 ，表明已 收到8 字节数据。若将i n b u f f e r c o u n t 置零，可清空接受缓冲区。每次接收数据 之前应考虑是否该清空接收缓冲区。 ( 5 ) s e t t i n g s 以字符串形式设置或返回串口的波特率、奇偶校验位、数据位长度、停止位。 ( 6 ) i n b u f f e r s i z e 和o u t b u f f e r s i z e 分别指定接收缓冲区和发送缓冲区的大小，在高速通信时应将其设置为较大 的值。 ( 7 ) c o m m p o r t 设置并返回通信端口号。该属性在打开商品前设置。 ( 8 ) i n p u t l e n 设置并返回i n p u t 属性从接收缓冲区中读取的字符数。其默认值为0 。设置为 0 时，使用i n p u t 将使m s c o m m 控件读取接收缓冲区中全部的内容。在使用i n p u t 前，用户可以选择检查i n b u f f e r c o u n t 属性来确定缓冲区中是否已经有需要数目 的字符。 使用v b 来开发p c 机的串口通信，开发者无需花费大量的时间在界面设计上， 只需专注于程序主要功能的实现，因此在实际应用中得到了广大开了人员的应用 研究。 使用v b 可视化程序设计语言设计应用程序主要完成两部分的工作：界面设计 和编写事件驱动程序。界面设计是计算机应用程序设计的一部分重要工作，通过 界面设计可以让人机更好的实现互动，v b 的工具箱为程序员提供了一套界面设计 常用的对象模子类，有命令按钮，图片框，文本框，标签，框架，复选框， 单选按钮，滚动条等。每个类都有自己的属性。v b 不仅向用户提供一套标准控件 工具，还允许程序员添加新的控件工具，以及用v b 程序语言设计对象。m s c o m m 控 件也是v b 众多控制中的一个，它为计算机间的数据通信提供了方便。 1 2 物体磁悬浮电气控制系统若干问题研究 2 3p i d 控制与模糊p i d 控制 2 3 1 常规p i d 控制算法 在对磁悬浮系统悬浮物的位置进行控制时，实验将主要应用p i d 控制和模糊 p i d 控制原理进行设计。 ( 一) p i d 控制原理 p i d 控制器由比例控制、积分控制和微分控制三个部分组成，是一个二阶超前 滞后校正装置。p i d 控制是工业过程控制中常用的控制方法，因p i d 控制器结构简 单、实现简易，且能对相当一些工业对象( 或过程) 进行有效的控制。一般模拟p i d 仪表是有源校正装置，采用连续p i d 控制方式；而数字p i d 控制器是用计算机实 现的，采用数字p i d 控制方式。 给定值，) 与实际输出值j ，o ) 构成偏差p o ) p o ) = ，o ) 一y o ) p i d 控制规律： 材o ) = ( p o ) + 砉上p o 净峨磊dp o ) 其传递函数形式： g 阱锱咆( - + 去毋 式( 2 - 1 ) 式( 2 - 2 ) 式( 2 - 3 ) 式中：k p 比例系数；互积分时间常数；微分时间常数。 同样，在数字控制系统中，使用比较普遍的也是p i d 控制规律，此时数字p i d 调节器的输出和输入之间的关系是： 第二章建立磁悬浮电气控制系统的基本理论 1 3 “泅) = k p 扣泅) + 争p ) + 等k 泅) 一p 洄一丁) 】 式( 2 4 ) l lj = o 1 j 在传统的p i d 控制中，存在比例、积分、微分这三种控制作用。 p i d 控制具有以下特点： ( 1 ) p i d 控制具有适应性强的特点，适应各种控制对象，参数的整定是p i d 控 制的一个关键问题； ( 2 ) 只要参数整定合适，对大多数被控对象可以实现无差控制，稳态性能好， 但动态特性不太理想； ( 3 ) p i d 控制不具有自适应控制能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳， 当系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重 时可能导致系统的不稳定。 ( 二) 增量式p i d 的原理 增量式p i d 的原理与位置式p i d 基本相同，区别是位置式p i d 的输出是最终 的控制量，而增量式p i d 的输出是最终的控制量与其前一个值相比的变化量。 由位置算法求的： 甜( 后) = 巧【p ( 后) + 百r s 世k l，)+(p(七)叫(肛1)】+u01j = o 甜( 后) = 巧【p ( 后) + 7 世l ，) + 等( p ( 七) 一p ( 七一1 ) ) 】+ 上 上j 再求出： 7r膏一lr 甜( k - 1 ) = 巧【g ( 后一1 ) + 等p ( j ) + 等( p ( 七一1 ) 一p ( 七一2 ) ) 】+ u o 式( 2 6 ) 两式相减，得出控制量的增量算法： 材( 后) - - - - u ( k ) 一甜( 七一1 ) = 巧似后) 一嗽一1 ) + 号p ( 七) 【p ( 后) 一2 p ( 七一1 ) + p ( 七一2 ) 】) 式( 2 - 7 ) 上式即为增量式p i d 算法。可以看出，数字增量式p i d 算法，只要储存最近 的三个误差采样值e ( k ) 、e ( k 1 ) 、e ( k - 2 ) 就足够了。 2 3 2 模糊p i d 控制算法 ( 一) 模糊控制在位置控制中的应用【刀 2 0 世纪8 0 年代以来，自动控制系统受控对象变得复杂化，它不仅表现在控制 系统具有多输入一多输出的强耦合性、参数与结构的时变、大时滞和严重的非线 性特性，更突出的是，从系统对象所能获得的知识信息量相对地减少，以及与此 相反的对控制性能的要求却日益高度化。然而，正如z a d e h 教授于1 9 7 3 年所指出 的：“当一个系统复杂性增大时，人们能使它精确化的能力将降低，当达到一定的 1 4物体磁悬浮电气控制系统若干问题研究 阀值时，复杂性与精确性将相互排斥”( 即“不相容性 ) 。也就是说，在多变量、 非线性、时变的大系统中，系统的复杂性与人类要求的精确性之间形成了尖锐矛 盾。因此，要想精确地描述复杂对象与系统的任何物理现象与运动状态，实际上 已经是不可能的。关键是如何使准确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有 实际意义。 经典控制理论首先被使用于线性常规系统的自动化领域，p i d 控制就是一种普 遍而有效的控制方法；随着计算机技术和自动控制理论的发展，现代控制理论和 先进控制理论在大规模线性多变量系统中也得到广泛应用，但是，对于非线性复 杂系统，这些控制策略却难以适用，它们不仅算法相当复杂，而且无望获得满意 的结果。近年来，采用专家知识的人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 和智能 信息处理技术，以及人工进化算法等控制策略，虽然引起了人们的研究兴趣和重 视，但由于其知识库庞大和计算复杂，多数作为一种离线的寻优和学习方法，很 难用作实时的模拟控制和工业应用。模糊控制不仅适用于常规的非线性单变量系 统，而且逐渐向大规模、非线性复杂系统扩展。它具有易于熟悉、可靠性高、实 用性强、能获得专家知识和熟练操作经验的良好自动化效果等优点。模糊控制根 据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统 进行实时控制。 现在，模糊控制在现实生活得到了越来越广泛的运用。模糊理论在控制领域 里的运用开始与1 9 7 4 年。英国科学家曼丹尼( m a m d a n i ) 首次将模糊理论运用与 蒸汽机的控制系统中，开辟了模糊运用的新领域。这一开拓性的工作，标志着模 糊控制理论的诞生。9 0 年代初，模糊家电风靡日本，给日本企业带来了巨大的商 业利润，同时也推动欧美和其它国家，进一步促进了模糊技术的发展。1 9 8 5 年世 界上第一块模糊逻辑芯片在美国著名的贝尔实验室问世，这是模糊技术走向实用 化的又一里程碑。日本、美国、德国等许多著名公司都在积极从事这方面的研究， 相继开发出许多商业化的模糊逻辑芯片，1 9 8 6 年日本建立了模糊控制器硬件系统 ( 模糊控制专用器件) 。多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。模糊 芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不断下降。直接采用模糊芯片开发产品 己成为趋势。模糊开发软件包也充满市场。模糊控制技术除了在硬件、软件上继 续发展外，将在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模糊控制上取得较大发 展。我国在模糊理论领域的研究处于世界先进水平，先后出版了几十本有关模糊 领域的著作。在工程技术应用方面较为薄弱，已经提出了连续监控系统设计方法 和便于工程应用的模糊集成控制方法。上世纪9 0 年代后期开始出现了模糊家电控 制等。另外，在我们模糊控制技术已经由理论研究转入了实际运用。模糊控制技 术成功运用与倒立摆的控制中，为更复杂的控制提供了参考和方法。同时模糊控 制技术也成功的运用到大型工业的控制过程中。比如冶金，化工，造纸行业等。 第二章建立磁悬浮电气控制系统的基本理论 1 5 随着对模糊控制技术更深入的研究，更多的模糊控制家电产品将会出现在我们的 生活中。 模糊逻辑在工程应用上具有如下优点：( 1 ) 控制系统的设计不要求知道被控对 象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。( 2 ) 控制系 统的鲁棒性强，适于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。( 3 ) 以语 言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识 。相比于神经网络，模 糊逻辑建立在已经熟悉相关系统的专家基础上，更能充分利用现有的专家知识。 ( 4 ) 控制推理采用“不精确推理。推理过程模仿人的思维过程，由于介入了人类 的经验，因而能够处理复杂系统。( 5 ) 模糊逻辑是柔性的。对于给定的系统，很容 易处理以及直接增加新的功能，而不需要从头做起。易于与传统的控制技术相结 合。模糊系统不需要替代传统的控制方法，在很多情况下，只是在原有的控制方 法上作简单的修改。正因为模糊控制技术具有这么多的优点，所以它在工业过程 中的到了很好的运用。例如，在电磁悬浮控制系统中运用模糊控制技术。电磁悬 浮控制系统拥有多变量、时变的、具有分布参数和大惯性滞后环节的非线性特性。 如果我们采用传统的控制方法，该系统很难得到控制。这时我们采用模糊控制技 术即智能控制，就会得到很好的控制效果。 然而，我们在实践中会发现模糊控制使得被控对象的精度不是很高。所以对 于精度要求高的系统，我们必须把模糊控制和其他控制方法结合起来。比如，模 糊控制和p i d 的控制方法结合。 ( 二) 模糊控制器的一般模型【| 7 j 模糊控制系统的一般模型如图 图2 7 模糊控制系统一般模型 各个方框含义如下 ( 1 ) 传感器m 个，感应系统的n 个状态( x l ，”，x j ， ( 2 ) 行为规则集有规n n 条：“若a i ，贝t