2010年4月第28卷第2期西北工业大学学报

JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityApr.2010

Vol.28No.2

基于模糊PID控制的静电悬浮研究

杨　鹏,文喜星,周伶俐

(西北工业大学理学院,陕西西安　710129)

摘　要:从静电悬浮的机理出发,文章研究了静电悬浮样品三维稳定约束控制的实现方法。通过设计弧形电极,可产生二维横向势阱,实现在水平方向上对样品的稳定约束,对样品的反馈控制只需加载在竖直方向。采用模糊控制PID原理,推导出了PID控制下悬浮样品的动力学方程及其解。通过数值模拟,详细讨论了PID参数设定对被控样品物理量的影响,包括PID参数分别对梯度电场、样品到

预设平衡位置的调节及调节速率的影响。最后,给出这种控制方式下实现快速调节的最佳参数值。关　键　词:静电悬浮;模糊PID控制;参数调节中图分类号:TP13　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-2758(2010)02-0308-05　　静电悬浮技术简称ESL(ElectrostaticLevita-tion),是一种无容器处理技术,在材料深过冷凝固

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研究中有重要的应用价值。它是利用悬浮样品在两电极板间的静电场中感应带电,静电力克服样品重力作用,达到悬浮的目的。相比于电磁悬浮只能悬浮起导体和少部分具有高电导率的半导体材料,静电悬浮可以悬浮起导体、半导体及绝缘体等各类材料。而且电磁悬浮技术是将悬浮与加热材料一次性完成,不利于温控;静电悬浮则可以在超高真空环境下实现悬浮与加热的独立控制,为材料在无容器环境下的深过冷及热物性等方面的深入研究奠定基础。但是,根据Earnshaw定理,静电场并不存在三维最小静电势,如何通过调节和控制实现材料样品的稳定静电悬浮就成为问题的核心。目前,只有美国、日本和德国做出了包括反馈系统在内的比较完整的静电悬浮系统

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方面开展工作的还较少。

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所在处的电场强度。

由于静电场不存在三维最小静电势,悬浮样品的位置稳定性会因为样品及悬浮初始条件的不同、静电场的变化,以及样品带电量的变化而难于满足。要实现稳定的静电悬浮就必须设法实现对样品的三维约束。如通过加载反馈系统、改变电极形状等,以

期达到对静电场的三维实时控制,通过及时调整静电力,达到对样品悬浮位置的实时调整。

如图1所示,上电极接负电压,下电极接地,通过采用位置灵敏探测器(PositionSensitiveDetector)探测样品的位置信息,并将其数字信号输入计算机,通过控制算法使输出悬浮样品调节到预设平衡位置的电压值,最后通过AD转换卡转化成模拟信号,改

。国内学者在这

1　静电悬浮控制的实现思路

静电悬浮的原理可用下式表示

QE+mg=0s

(1)

图1　静电悬浮装置原理图

式中m为样品的质量,Q为样品的带电量,E是样品s

收稿日期:2009-01-07

基金项目:国家自然科学基金(50571082)资助

作者简介:杨　鹏(1983-),西北工业大学硕士研究生,主要从事静电控制研究。