本發明自動控制技術領域，具體的說是一種磁懸浮系統自懸浮裝置及其控制方法。

背景技術：

由于在高速條件下，摩擦力所產生的能量消耗十分巨大。在這種前提下，國家對磁懸浮技術的大力發展，通過磁力，使兩個設備不接觸，從而大大減少接觸摩擦力。磁懸浮球實驗作為磁懸浮研究的入門技術而逐步進入高校的實驗室中，通過磁懸浮實驗裝置，使得學生對一類非線型本質不穩定的系統有深入認識和研究，在高校工程類系列實驗中占有重要地位。可配合控制類、信息類專業的相關理論課程開展系列實驗項目的實驗和研究。由于實驗內容新穎、實驗結果直觀有效，激發了學生學習的興趣及研究熱情。同時，在各種的大型博物館，也逐步考慮磁懸浮裝置，通過生動的實驗，使孩子們激發對這項技術的熱情。

在這種條件下，市面上的磁懸浮裝置多采用工業攝像機來定位的方式，其占地面積大、調試不變、處理器要求高、操作復雜，同時必須由兩名操作員進行操作，一名操作員將鋼球放置在指定位置，另一名操作員進行調試。對于科研人員來說，其參數不可見，操作繁瑣，成本高通用性不強，調試困難。置于展館來說，無法做很好的保護裝置，存在安全隱患。

技術實現要素：

本發明為解決上述現有技術中存在的不足之處，提出一種自動懸浮的磁懸浮裝置及其控制方法，以期能實現鋼球的自動懸浮，從而能簡化操作流程，節約操作人員，方便調試、方便設置保護裝置增加整體的安全系數。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

本發明一種磁懸浮自懸浮裝置的特點包括：懸浮實驗架，電磁鐵，光源，硅光電池傳感器，一對位置傳感器，鋼球、控制箱；

所述懸浮實驗架是由底板、頂板和四個立柱構成；在所述頂板下表面的中間位置處設置有所述電磁鐵；在所述頂板的兩側分別設置有所述光源和所述硅光電池傳感器；在處于任意對角線的一對立柱上設置有所述一對位置傳感器；在所述底板中心的凹槽內設置有所述鋼球；

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

本發明一種利用所述的磁懸浮自懸浮裝置的控制方法的特點是按如下步驟進行：

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動；

步驟2、當所述鋼球經過所述一對位置傳感器的采取區時，所述一對位置傳感器采集所述鋼球的第一位置信號并提供給所述控制箱；

步驟3、所述控制箱根據所接收的第一位置信號，將所述電磁鐵的電流大小調節到所設定的閾值，使得所述鋼球作減速的吸附上升運動；

步驟4、若所述鋼球達到所述光源和所述硅光電池傳感器之間的感應區內時，執行步驟；若所述控制箱利用所述一對位置傳感器采集到所述鋼球的第二位置信號時，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信號，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區內；

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

本發明所述的磁懸浮自懸浮裝置的控制方法的特點也在于：當所述鋼球懸浮在所述感應區內時，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運動。

與已有技術相比，本發明的有益效果為：

1、本發明通過搭建一個鋼球懸浮的平臺，實現了僅需要一個操作員進行調試便能使鋼球的自動懸浮。在控制系統中，本發明中控制系統可以觀測變量的狀態，并可以進行控制量的實時修改，降低了調試的難度。由于鋼球可以自動懸浮，不需要人手放到指定位置，可以對實驗裝置進行防護裝置設計，提高了產品的安全性。本發明中采用主控板的模式，減小了設備的占地面積，更適合空間較小的場合。

2、本發明通過設計了一種實驗平臺，其底部放置一個鋼球，其對角立柱上有2個位置傳感器，在頂部的中間設置有電磁鐵，兩端設置了光源和光電傳感器，進行精確地位置測量。當控制箱上電時，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動，不需要操作人員手動放置到指定位置，簡化了操作流程，節省了操作人員。

3、本發明通過位置傳感器檢測鋼球經過指定位置，從而減少了電磁鐵吸力，使鋼球進入光電檢測范圍，之后通過控制方法使其最終實現自動懸浮。由于采用光電檢測替換工業攝像機的方式，減少了控制所需的硬件要求，簡化了圖像分析處理過程，簡化了整個的控制流程。

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

5、本發明可以實現自動懸浮，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，提高了整套系統的安全穩定性。

附圖說明

圖1是本發明實施例的系統結構圖：

圖2是本發明實施例的主控箱結構圖；

圖3是本發明實施例的主控板結構圖；

圖4是本發明實施例的系統示意圖；

圖中標號：1為鋼球，3為電磁鐵，4為一對位置傳感器，6為光源，7為光電傳感器，8為支撐架。

具體實施方式

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

懸浮實驗架8是由底板、頂板和四個立柱構成；在頂板下表面的中間位置處設置有所述電磁鐵3；在頂板的兩側分別設置有所述光源6和硅光電池傳感器7；在處于任意對角線的一對立柱上設置有一對位置傳感器4；在底板中心的凹槽內設置有鋼球1；

控制箱通過信號線與電磁鐵3、一對位置傳感器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。其中主控板主要負責信號的控制和調整，電流放大器模塊將控制板中輸出的電流信號進行放大給圖4中的電磁鐵模塊，電源處理單元為其他的所有模塊進行供電。

本實施例中，磁懸浮自懸浮裝置的控制方法是按如下步驟進行：

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動；最初的大電流可以使鋼球獲得一個較大的力，克服其重力使其做向上運動。在向上運動的過程中，由于吸力隨距離的減少而顯著增加，所以加速度會逐漸增加。

步驟2、當鋼球經過一對位置傳感器的采取區時，一對位置傳感器采集鋼球的第一位置信號并提供給控制箱；

步驟3、控制箱根據接收的第一位置信號，將電磁鐵的電流大小調節到設定的閾值，使得鋼球作減速的吸附上升運動；設定的閾值所產生的電流會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動。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、若鋼球達到光源和硅光電池傳感器之間的感應區內時，執行步驟5。步驟5是當鋼球正常懸浮時的狀態。若控制箱利用一對位置傳感器采集到鋼球的第二位置信號時，說明鋼球并未能正常懸浮，控制箱重新上電；如多次重復鋼球仍未能進入正常懸浮狀態，請適當增大閾值電流大小。

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信號，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區內；本實施例中，其鋼球遮擋部分光源，使硅光電池所感受到的光強信號變化，導致產生變化的電流。之后變化的電流通過數據信號線傳遞給控制箱中的主控板。變化的信號通過數據采集單元傳遞給主控板。主控板內部組成如圖3所示，包括主控芯片、AD轉換模塊、DA轉換模塊、電源調理電路、外部擴展接口。其中主控芯片中通過已經建立好的模糊算法對通過AD模塊進入信號進行處理，采用模糊控制的原因是由于每次上升到光電觀測范圍內時，速度不能保證一致，所以PID控制并不能很好的實現效果。通過模糊量的劃分，建立合適的模糊推理，確定搭建的模糊規則，之后選擇合理的解模糊算法，實現穩定的控制。模糊控制之后將處理好的信號通過主控板中的DA模塊給電流放大器模塊，之后將電流放大器模塊產生對應的電流給電磁鐵，之后產生對應的吸力，控制鋼球運動，最終實現鋼球的穩定懸浮。其中的電源調理模塊主要為主控板提供穩定的電源。其中外擴接口模塊是為了方便日后做升級換代所需要的預留接口。在本次實例中，控制算法的實現是基于MATLAB軟件中的simulink模塊，通過更改好的針對對應主控芯片的接口模塊，將采集的數據接口和輸出的控制接口與軟件中所搭建的模型相對應，將模型自動生成的控制程序燒寫進入主控芯片中。同時針對上位機系統，提供一個上位機界面，可以實現變量的顯示以及控制系數的在線修改。當鋼球實現自動懸浮之后，可以通過切換控制模式，實現鋼球有規律的上下擺動。當在僅僅需要展示的場合，可以在裝置外部增加保護罩，實現裝置的安全可靠性能。

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

當鋼球懸浮在感應區內時，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運動。