Magnetic levitation system: Design, prototyping and testing of a digital PID-controller

Abstract

Denne bacheloroppgaven handler om design, utvikling og bygging av en magnetisk levitasjonsplattform samt posisjonsregulering av en leviterende magnet ved hjelp av en digital PID-regulator. For å oppnå dette har en matematisk modell blitt utviklet for å beskrive systemet. Modellen er basert på en eksisterende modell av et ekvivalent analogt system som har blitt utvidet til å beskrive det nye, digitale systemet. For å tilpasse den nye modellen måtte de nye komponentene modelleres. Modellen har også blitt implementert i Matlab og har blitt brukt til å simulere systemet. Dette inkluderer analyse av stabilitet og likevektspunkt, RGA- og kondisjonstallanalyse, linearisering og simulering av et PID-regulert system. Modellen og simuleringene ligger til grunn for designet og byggingen av den nye magnetiske levitasjonsplattformen. Systemet ble designet med tanke på at det skulle være modulært, hvor forskjellige magnetkonfigurasjoner enkelt kunne testes ut. Designprosessen innebar design og kutting av modulære pleksiglassplater samt design og oppkobling av en elektrisk krets. Implementeringen av den digitale PID-regulatoren ble gjort på en Teensy mikrokontroller. Reguleringssystemet ble designet som et 3x3 MIMO-system med tre PID-regulatorer i parallell. Posisjonen til den svevende magneten blir målt ved bruk av hall-effekt-sensorer. Når et funksjonelt system var bygget ble det forsøkt stabilisert ved å justere inn PID-regulatoren. Dessverre ble systemet aldri stabilt, og regulatoren klarte ikke holde den svevende magneten i lufta i mer enn 20 sekunder på det meste. Etter mye analyse og diskusjon av det nåværende systemet er konklusjonen at det er mange grunner til at systemet ikke ble stabilt, blant annet det permanente magnetfeltet, elektromagnetene, støyfiltreringen samt tids- og budsjettrestriksjoner