《无线电》
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基于模拟pid 控制电路的上拉式磁悬浮系统——《无线电》2014.07
2014-08-13 16:05:00 阅读本文之前，先来看看一个神奇的工业设计，一个悬浮的但又可以发光的电灯泡。这个设计看起来就像魔幻效果一样，要是搁在100 年前，与哈利波特的魔法也差不了多少。幸好我们生活在21 世纪了，科学技术和工业文明使得这个神奇的想法变成了现实。
这个灯泡要能悬浮在空中，利用的就是基于模拟pid 控制电路的本文所要描述的磁悬浮技术，确切地说，是上拉式的磁悬浮技术。它发光是利用了无线输电技术。本文不讨论无线输电技术，就从磁悬浮入手，制作一个简单的上拉式磁悬浮系统。
什么是pid控制
闲话少叙，让我们先来看看它的大致原理。如果只要上面的电磁铁产生磁力吸住中间的电磁铁，这是很容易的事情，但是麻烦的是，你要把它拉在半空中，而不是一下子把它吸引过来。想要把它固定在某个位置最直观的想法就是，在磁铁快要掉下去的时候就赶紧增加点拉力（磁力）把它拉上来一点，拉上来以后，快要吸过来时，赶紧减少一点拉力，让它不要再靠近，因此这显然是一个负反馈的系统，而且看起来像是在振动的系统。事实上，当今的自动控制技术都是基于
负反馈的控制，对负反馈的研究是控制论的核心问题，本质是使系统输出起到与输入相反的作用，通过系统输出的反馈和输入作比较，用这个误差纠正、调节控制系统的响应，使系统输出与系统目标的误差减小，最终系统趋于稳定。
在工程实际应用中，使用范围最广的就属pid 控制，pid 是比例(p)、积分(i)、微分(d) 控制的缩写，最早是通过观察舵手掌舵的方式而发明出来的反馈控制算法，pid控制器从传感器得到测量结果，然后用需求结果减去测量结果来得到误差，最终通过比例、积分和微分三种算法相加得出系统纠正值。在pid 控制回路中，三部分的作用分别如下：
比例：依赖于当前误差来消除目前的误差；其值是一个比例系数（增益）和当前的误差的乘积，当误差为零时，比例部分输出就是零了。如果增益太大，系统容易变得不稳定，增益太小，则对误差反应太慢，所以这个值需要慢慢调节，达到最优。
积分：累加过去的错误值来平均过去的误差；将过去一段时间的误差值和乘以一个正值的系数。一个只有比例部分的简单控制系统不够稳定，会在预定值的附近来回振荡，因为系统无法消除多余的余差。通过加入积分部分，只要偏差还存在，输出就会不断累积，一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除余差。
微分：通过求误差的改变率来预测未来的误差。计算误差的一阶导数，并乘以一个正常数。为什么还要加这部分呢？在控制对象运行比较慢的系统里，比例积分控制一般也就够用了，但是对相对运行较快的控制对象还有些不足之处。因为比例积分只能对当前和过去作出反应，却不能预测即将到来的误差趋势，往往会有一个“时间滞后”的问题。举个简单的例子，比如我们开车打方向盘的时候，如果当前速度很快，那么方向要打得很快，不然偏差就大了，速度慢的话，慢慢打也还来得及。pid 控制器里的微分部分也是这个道理，根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。
未完。。。
全文详见《无线电》2014.07