[發明專利]懸浮超導球位置反饋控制裝置及超導球位置反饋控制方法

有效

• 申請號: 202010098787.5
• 申請日: 2020-02-18
• 公開（公告）號: CN111290261B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 李春燕;張源;牛飛飛;何志巍;周梅
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

1.一種懸浮超導球位置反饋控制裝置，其特征在于，該懸浮超導球位置反饋控制裝置是一種根據磁場環境的不同可預先配置電路參數的靜電反饋裝置，包括：震蕩源、超導磁懸浮系統、鑒相器、PID控制器、直流電壓源、比例放大器和示波器，其中超導懸浮系統由懸浮超導球和超導球腔組成，超導球腔由上極板、中極板和下極板組成，懸浮超導球與上極板和下極板組成差動電容；震蕩源由交流電壓源、Ⅰ#震蕩器和Ⅱ#震蕩器組成，Ⅰ#震蕩器和Ⅱ#震蕩器由交流電壓源通過一個1：2的變壓線圈形成，Ⅰ#震蕩器和Ⅱ#震蕩器等幅同相；鑒相器由乘法器連接低通濾波器組成；

所述裝置的結構為震蕩源中交流電壓源與鑒相器中乘法器連接，震蕩源中Ⅱ#震蕩器通過Ⅱ#直流電壓源與超導懸浮系統的上極板相連，超導懸浮系統的下極板通過Ⅰ#直流電壓源與震蕩源中的Ⅰ#震蕩器相連；超導懸浮系統的中極板與鑒相器中乘法器輸入連接，低通濾波器的輸入端與乘法器的輸出端相連；PID控制器的輸入與低通濾波器的輸出相連接，PID控制器的輸出連接在Ⅰ#震蕩器與Ⅱ#震蕩器的連接節點上；鑒相器的輸出端與比例放大器相連接；比例放大器與示波器相連接；震蕩源對超導懸浮系統中的差動電容進行驅動；

所述懸浮超導球位置反饋控制裝置的超導球位置反饋控制方法，包括以下步驟：

步驟1，對懸浮超導球進行仿真動態建模，懸浮超導球在超導球腔中受到三個力，靜電力F_靜電、重力G、磁場力F_磁場，重力發生變化時，上面三個力滿足關系式：

F_靜電+F_磁場-G＝ma

式中：a是懸浮超導球的實際加速度，m是超導球質量；

其中

式中：ε₀是真空介電常數，A是球形差動電容上極板或下極板的表面積，d是超導球位于超導球腔中心位置時，超導球表面與上下極板表面的距離，V_上極板是施加在上極板的直流電壓，V_下極板是施加在下極板的直流電壓，x是超導球相對于球腔中心位置的位移；

式中：是磁懸浮超導球的電勢，k是真空靜電常數，C₀是超導球位于中心位置時，超導球與上極板的電容值，C_中是超導球位于中心位置時，超導球與中極板的電容值，R是超導球腔的半徑；

F_磁場＝mg+k_Tx，

式中k_T是超導懸浮磁場的磁力梯度，x是超導球相對于球腔中心位置的位移；

V上極板＝ΔV+V₀

V下極板＝ΔV-V₀

式中K₀為測量電路的輸出Vx與超導球位置x的比例系數，K₁+K_PS+K_S/S為PID控制器的數學模型；公式為懸浮超導球位置與時間的方程；

所述步驟1中對磁懸浮超導球進行仿真動態建模的步驟為：

步驟11在實驗開始之前，獲得懸浮磁場環境在超導球腔中心位置附近的磁力梯度k_T；

步驟12通過對未加反饋的測量電路的仿真和測量實驗，得到磁懸浮超導球的位移x和低通濾波器的輸出電壓Vx的比例系數K₀，可以得出反饋電壓與磁懸浮超導球的位移關系；

步驟13在認為磁懸浮超導球的位移xd,d為懸浮超導球位于球腔中心時，磁懸浮超導球的球面與上極板表面的距離，列出磁懸浮超導球的動態方程,其中在計算靜電力時，要先計算出懸浮超導球的電勢；

步驟2，在MATLAB軟件的可視化仿真工具Simulink模塊上畫出步驟1中得到方程的對應的程序框圖，改變重力G，并運行程序，用Simulik模型中的示波器Scope模塊查看在重力改變時，懸浮超導球位置隨時間的動態變化；

步驟3，設置不同的重力變化量ΔG，然后逐個調整PID控制器和直流電源的參數，直到得到滿意的響應，即懸浮超導球的位置在受到重力變化的激勵后，始終處在球形差動電容位置線性度較好的范圍，并且有較快的調節時間；

步驟4，在所述裝置上設置仿真中得到的最優直流電源電壓，PID控制器的參數，然后根據實驗效果對相關電路參數進行微調，直到得到滿意的實驗效果。