柯子攀 風(fēng)力擺控制系統(tǒng)

1、B題 風(fēng)力擺控制系統(tǒng)摘要 本文介紹風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，系統(tǒng)以STM32F103RCT6為主控、MPU-6050角度傳感器檢測(cè)擺角，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺實(shí)現(xiàn)擺桿擺動(dòng)或制動(dòng)靜止。根據(jù)風(fēng)力擺的數(shù)學(xué)模型分析，確定了風(fēng)力擺桿角度和風(fēng)力之間的PID控制算法，并在實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化控制參數(shù)。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，證明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字：風(fēng)力擺控制系統(tǒng)  STM32F103RCT6 角度傳感器 軸流風(fēng)機(jī) Abstract This paper introduces the design and manufacture of wind pendulum control system

2、, system with STM32F103RCT6 as the master, the MPU - 6050 Angle, Angle sensor by axial flow fan driver wind pendulum swinging rod swings or brake static. According to the mathematical model of the wind swing analysis, to determine the wind swinging rod Angle between the wind and the PID control algo

3、rithm, and optimize the control parameters in the experiment. Proved by trial and error, the system has realized the wind pendulum control system design requirements.Keywords:wind pendulumcontrol system  STM32F103RCT6 angle sensor axial flow fan一、總體設(shè)計(jì)方案（一）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件包括主控芯片、角度傳感器、軸流風(fēng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)

4、動(dòng)、電源、擺桿及支架，設(shè)計(jì)總體框圖如圖B-1所示。該系統(tǒng)采用STM32F103RCT6做為主控模塊。角度傳感器將采集到的模擬信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換與處理，進(jìn)而判斷擺桿的偏擺方向和角度，經(jīng)過(guò)計(jì)算后輸出相應(yīng)控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速變化，從而達(dá)到使風(fēng)力擺桿制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。電源電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)擺臂顯示模塊STM32F103RCT6MPU-6050角度傳感器圖B-1 系統(tǒng)總體框圖（二）方案比較與選擇1、主控芯片的比較與選擇  方案一：采用51或者AVR、PIC等流行已久的8位MCU作主控。 價(jià)格低廉，資料眾多。功能有限，計(jì)算能力有限。 方案二：采用STM32系列的

5、STM32F103RCT6。 風(fēng)力擺控制系統(tǒng)系統(tǒng)要求處理器具有足夠的內(nèi)存、閃存，快速的信號(hào)采集能力，因此我們選用STM32F103RCT6，集成仿真器，方便軟件仿真調(diào)試，板上為STM32F103RCT6單片機(jī)，該單片機(jī)超低功耗，運(yùn)算速度快，性價(jià)比高。 通過(guò)介紹主控芯片選擇方案二。2、風(fēng)機(jī)的比較與選擇方案一：采用離心風(fēng)機(jī)。 離心風(fēng)機(jī)是將流體從風(fēng)扇的軸向吸入后利用離心力將流體從圓周方向甩出去，它具有通風(fēng)換氣效果好，適用性強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)，堅(jiān)固耐用，但是由于體積大，在制作模型時(shí)不方便。方案二：采用軸流風(fēng)機(jī)。 軸流風(fēng)機(jī)具有功耗低、散熱快、噪音低、節(jié)能環(huán)保等左右，同時(shí)由于體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)固可靠，方便控制

6、。 考慮到模型制作條件極其簡(jiǎn)陋，為了能更好的完成風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的制作，選擇方案二更好。3、角度傳感器的比較與選擇  方案一：采用凌陽(yáng)公司的MXD2020EL傳感器。在正常工作下，傳感器將測(cè)到的傾角直接轉(zhuǎn)換為占空比不同的頻率輸出。  方案二：采用SCA60C傳感器。該傳感器抗干擾能力強(qiáng)，低功耗，輸出信號(hào)為0.5V-4.5V的模擬電壓。方案三：采用MPU-6050傳感器，該傳感器是將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000&

7、#176;/秒（dps），同時(shí)可以，移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設(shè)定給予的影響與感測(cè)器的飄移。 MXD2020E和SCA60C都相對(duì)容易控制和計(jì)算，但他們的測(cè)量精度不夠高，反應(yīng)速度不夠快，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的需求。考慮到模型制作條件極其簡(jiǎn)陋，風(fēng)力擺軸的制作及與傳感器連接困難，所以采集模擬信號(hào)再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)測(cè)量的方法，這樣可以使測(cè)量精度更高，反應(yīng)速度更快，故選擇方案三。4、控制算法的比較與選擇 方案一：PID算法是在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立

8、，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象一階滯后+純滯后與二階滯后+純滯后的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD）。 方案二：LQR算法。LQR (linear quadratic regulator)即線性二次型調(diào)節(jié)器 ,其對(duì)象是現(xiàn)代控制理論中以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng) ,而目標(biāo)函數(shù)為對(duì)象狀態(tài)和控制輸入的二次型函數(shù)。LQR最優(yōu)設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)出的狀態(tài)反饋控制器 K要使二次型目標(biāo)函數(shù)J 取最小值,而 K由權(quán)矩陣Q 與 R 唯一決定,故此 Q、R的選擇尤為重要。LQR

9、理論是現(xiàn)代控制理論中發(fā)展最早也最為成熟的一種狀態(tài)空間設(shè)計(jì)法。特別可貴的是 ,LQR可得到狀態(tài)線性反饋的最優(yōu)控制規(guī)律 ,易于構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)控制。而且MATLAB的應(yīng)用為L(zhǎng)QR 理論仿真提供了條件 ,更為我們實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的控制。 選擇控制算法時(shí)考慮到模型制作條件極其簡(jiǎn)陋，盡量選擇原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的控制算法，故選擇方案一。二、測(cè)控方法（一）風(fēng)力擺狀態(tài)檢測(cè) 在本設(shè)計(jì)中，風(fēng)力擺桿的角度測(cè)量所用的的部件是MPU-6050角度傳感器和AD轉(zhuǎn)換芯片?？烧{(diào)電位器固定宇旋臂上，其可調(diào)軸與擺桿上端固定，可隨擺桿的擺動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，其可調(diào)端輸出電壓也會(huì)隨之而變化。將電位器可調(diào)端的輸出變化電壓輸入到AD芯片，即可

10、得到一系列變化的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)與中心自由下垂處的電壓信號(hào)判斷擺桿向哪個(gè)方向擺動(dòng)及擺動(dòng)的度數(shù)。 （二）電機(jī)驅(qū)動(dòng) 本系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用 BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)。BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC。P溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求, 因而減小了EMI。集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)的功能。BTS7960通態(tài)電阻典型值為16m，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43A，驅(qū)動(dòng)電流大。 （三）控制算法  PID算法是比例微分、積分、控制器控制的過(guò)程

11、。其原理如圖B-2所示。 (1)比例調(diào)節(jié) P    比例系數(shù) Kp 的大小決定了比例調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的快慢程度，但Kp過(guò)大會(huì)使控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)或振蕩現(xiàn)象 Kp過(guò)小又起不到調(diào)節(jié)作用 比例控制無(wú)法消除余差。 (2)積分調(diào)節(jié) I     積分作用可消除余差，積分常數(shù) Ti 的大小決定了積分作用強(qiáng)弱程度，積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。因此，積分常數(shù) Ti 大小的選擇要得當(dāng)。   (3）微分調(diào)節(jié) D   當(dāng)偏差 e 瞬間波動(dòng)過(guò)快時(shí)，微分調(diào)節(jié)器會(huì)立即產(chǎn)生響應(yīng)，來(lái)抑制偏差的變化，使系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定，改善了

12、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。圖B-2 PID控制原理圖 PID作為一種線性控制，根據(jù) 與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差：E(t)=- PID的控制規(guī)律為： 由上式可知PID控制是一種二型控制（提供兩個(gè)零點(diǎn)消除機(jī)電），而被控對(duì)象旋轉(zhuǎn)一級(jí)風(fēng)力擺是一個(gè)二型系統(tǒng)，也只需要這種控制就能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，通過(guò)PID控制旋轉(zhuǎn)一級(jí)風(fēng)力擺是可行的。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括主控芯片、MPU-6050角度傳感器、軸流風(fēng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源、擺桿及支架。（2） 電路設(shè)計(jì) 1、角度傳感器子系統(tǒng)框圖與電路原理圖(1)角度傳感器子系統(tǒng)框圖，如圖B-3所示。單片機(jī)信號(hào)放大編碼器圖B-3 角度傳感器子系統(tǒng)框圖(2)角度傳感器子系

13、統(tǒng)電路，如圖B-4所示。圖B-4 角度傳感器子系統(tǒng)電路 2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖與電路原理圖（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖，如圖B-5所示。軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)圖B-5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖 （2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)電路，如圖B-6所示。圖B-6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)電路 3、電源開始 電源由變壓部分，濾波電路，穩(wěn)壓電路組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供5V或者12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作，這部分電路采用三段穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)。（三）程序設(shè)計(jì)初始化 1、主程序流程圖主程序流程圖如圖B-7所示。 2、控制子程序流程圖系統(tǒng)定時(shí)器開控制子程序流程圖如圖B-8所示。 3、采樣子程序流程圖采樣子程序流程圖如圖B-9所示。采樣定時(shí)到?采樣

14、 Y 圖B-7 主程序流程圖采樣定時(shí)到?控制 Y 采樣中斷開始控制開始數(shù)據(jù)初始化控制相關(guān)數(shù)據(jù)初始化采樣定時(shí)器初始化控制定時(shí)到？中斷為上升沿觸發(fā)根據(jù)模式選擇對(duì)應(yīng)的控制函數(shù)記錄角度傳感器的角度值圖B-8 控制子程序流程圖 圖B-9 采樣子程序流程圖四、方法與測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試方法：針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)中的每一個(gè)要求都進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)要求都測(cè)試10次，取其平均值最為最終數(shù)值。 （一）風(fēng)力擺從靜止開始做類似自由擺運(yùn)動(dòng)，激光筆在地面畫出長(zhǎng)度不短于50cm直線段所用的時(shí)間測(cè)試測(cè)量次數(shù)/次長(zhǎng)度/cm時(shí)間/s測(cè)量次數(shù)/次長(zhǎng)度/cm時(shí)間/s15010650112501175012350985010450995095501010509（二）風(fēng)力擺從靜止開始完成幅度可控的擺動(dòng)時(shí)畫出長(zhǎng)度30cm60cm直線段所用的時(shí)間測(cè)試測(cè)量次數(shù)/次長(zhǎng)度/cm時(shí)間/s測(cè)量次數(shù)/次長(zhǎng)度/cm時(shí)間/s1305645723367487336685194396954105427106010（三）風(fēng)力擺從靜止開始，按照設(shè)置的方向擺動(dòng)時(shí)畫出長(zhǎng)度不短于20m直線段所用的時(shí)間測(cè)試測(cè)量次數(shù)/次長(zhǎng)度/cm時(shí)間/s測(cè)量次數(shù)/次長(zhǎng)度/cm時(shí)間/s1209620112208720103209820942