基于PID控制風(fēng)板裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 揚(yáng)

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程與自動化系，太原 030006)

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基于PID控制風(fēng)板裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 揚(yáng)

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程與自動化系，太原 030006)

介紹了以STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，采用角度傳感器(WDD351)實(shí)時(shí)檢測帆板的偏移角度，通過單片機(jī)程序的PID控制算法處理PWM控制信號，繼而調(diào)節(jié)風(fēng)扇的送風(fēng)量使帆板達(dá)到要求角度。算法有別于常見的控制系統(tǒng)，其采用的PID控制算法不要求確定受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)控制規(guī)則組織控制決策表，由控制決策表決定控制量的大小。解決了PID在面對被控對象存在三角函數(shù)數(shù)學(xué)模型時(shí)的控制問題，較好的完成了比賽要求，取得了良好的產(chǎn)品效果。

單片機(jī); 角度傳感器;PID

2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽高職組控制類題目——風(fēng)板控制裝置，首次在競賽題目中加入了算法的內(nèi)容。對于高職學(xué)生來說還是有一定的難度，通過三天的努力取得較好的結(jié)果。根據(jù)題目制作要求如圖1所示的風(fēng)板控制裝置。

圖1 風(fēng)板控制裝置示意圖

Fig.1 Wind board schematic control means

風(fēng)板在預(yù)置角度(45°～135°)之內(nèi)完成任務(wù)要求?；救蝿?wù)：(1)設(shè)定一個(gè)角度值后由起點(diǎn)開始啟動，控制風(fēng)板到達(dá)指定角度停留5 s，動作完成后平穩(wěn)停留終點(diǎn)位置。(2)設(shè)定兩個(gè)角度值，由終點(diǎn)啟動到達(dá)指定角度后再預(yù)置角度之間做擺動，動作完成后平穩(wěn)停留起點(diǎn)。(3)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)有明顯聲光提示。發(fā)揮部分中用長尾金屬夾栓一個(gè)重量10g砝碼作為添加條件，再次實(shí)現(xiàn)基本任務(wù)中的動作要求，但過渡階段時(shí)間、擺動次數(shù)、誤差角度值有所變化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)核心采用STC89C52DIP40芯片單片機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)以L298驅(qū)動模塊驅(qū)動風(fēng)機(jī)，利用WDD35D1角度傳感器測角度、電機(jī)驅(qū)動(PWM)技術(shù)結(jié)合PID算法實(shí)現(xiàn)帆板的轉(zhuǎn)角測試，借用控制器單元、LCD液晶顯示、按鍵模塊、聲光提示系統(tǒng)等功能為其服務(wù)。為了滿足帆風(fēng)機(jī)控制裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了各單元模塊的比較論證及確定，在滿足設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)良下，全方面性本著硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)。系統(tǒng)方案[4]框圖如2所示：

圖2 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)框圖

Fig.2 A block diagram of system solutions

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是按照題目的特定要求，由單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動模塊、采集模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、顯示模塊、聲光提示等模塊組成的。受篇幅所限，將硬件電路重點(diǎn)說明兩點(diǎn)：一是12 V1.5 A風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)，二是角度傳感器的數(shù)據(jù)采集電路。

風(fēng)機(jī)驅(qū)動電路。

1)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)對風(fēng)力的需求，經(jīng)實(shí)驗(yàn)后選擇12 V1.5 A大功率軸流風(fēng)機(jī)，對應(yīng)的采用L298驅(qū)動芯片46 V4 A，該芯片為雙路全橋式驅(qū)動，可驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。電路如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)驅(qū)動電路圖

Fig.3 Fan drive circuit diagram

2)數(shù)據(jù)采集模塊。根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，利用WDD35D1角度傳感器檢測風(fēng)板角度位置，它采用材料聚合物材料，物理性質(zhì)半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電塑料輸出模擬型信號，所以需要通過DA轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

設(shè)計(jì)采用TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，串行通信接口，具有輸入通道多、性價(jià)比高、易于和單片機(jī)接口的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。經(jīng)tlc2543模塊編譯后，反饋單片機(jī)，由L298電機(jī)驅(qū)動模塊控制吹風(fēng)量的大小，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)板的閉環(huán)控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)板控制裝制要求系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制，這給軟件設(shè)計(jì)帶來了更高的要求。為此在軟件設(shè)計(jì)中，引入了PID調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的PWM信號控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，通過角度傳感器的反饋信號，動態(tài)計(jì)算風(fēng)機(jī)PWM值。PWM即脈寬調(diào)制，是英文“Pulse Width Mdulation” 的縮寫。利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，通過改變直流風(fēng)機(jī)電樞上“占空比”(一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短)來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，也正是因?yàn)槿绱薖WM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖5所示，給出了本次設(shè)計(jì)的主要軟件設(shè)計(jì)流程。

圖4 D/A驅(qū)動電路圖

Fig.4 D/A drive circuit diagram

3.1 軟件設(shè)計(jì)需求與PID算法分析

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初將傳統(tǒng)PID控制引入，算法設(shè)計(jì)比較簡單，由于對控制過程中，被控對象的受力分析不細(xì)致，實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)PID響應(yīng)速度不滿足控制要求的問題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)板在不同角度時(shí)的受力情況如圖6所示。

重力、機(jī)械摩擦和風(fēng)力存在三角函數(shù)關(guān)系。如下力矩方程所示：

F： 風(fēng)板受到的吹力矩；

G：風(fēng)板的重力；

f: 轉(zhuǎn)軸所受摩擦力；

θ: 風(fēng)板旋轉(zhuǎn)的角度；

?:方向與豎直方向的夾角；

D:軸半徑；

l:風(fēng)板長度。

故此，在180°范圍內(nèi)，受系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和風(fēng)板受力變化等方面的影響，通過模糊控制器[1]對響應(yīng)曲線進(jìn)行粗調(diào)，PID控制器對響應(yīng)曲線進(jìn)行微調(diào)，并且模糊控制器對風(fēng)板的角度進(jìn)行了范圍預(yù)估，再由傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，解決了重力、機(jī)械摩擦和風(fēng)力存在三角函數(shù)關(guān)系導(dǎo)致PID響應(yīng)慢的問題。為此，設(shè)計(jì)引入了模糊控制理念[2]，以模糊控制器判斷風(fēng)板受力角度變化范圍，以傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)風(fēng)板轉(zhuǎn)動精度，采用開關(guān)式模糊PID控制器[3]，引入不完全微分型PID算法進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。

圖 5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

Fig.5 Software design flow

圖6 受力分析圖

Fig.6 Stress Analysis diagram

4 結(jié) 論

通過比賽結(jié)果的驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：風(fēng)板在±45～60°角之間重力矩較大，需要的風(fēng)力矩隨之較大；±60～80°角之間重力矩較小，需要的風(fēng)力矩也較小，但是機(jī)械摩擦力增大；80～110°角之間重力矩可忽略，此時(shí)僅存在摩擦力與風(fēng)力之間的關(guān)系。綜上所述，風(fēng)板在45～135°之間，受力的變化呈時(shí)變性、非線性和不確定性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，基于模糊控制的PID控制器，完成了題目所有要求，誤差偏離值小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、迅速、可靠，獲得山西賽區(qū)二等獎，體現(xiàn)了“滿足項(xiàng)目要求，性能保證長期穩(wěn)定，性價(jià)比高”的設(shè)計(jì)理念，但由于時(shí)間相對較短，本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要大量的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測試，所以個(gè)別角度的控制精度還有待提高。

[1] 陳云澤,喬建華.自適應(yīng)模糊PID軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)特性研究[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,36(3)：10-12.

[2] 潘岱,張紅梅,劉艷麗.基于MATLAB平臺的自動控制理論輔助教學(xué)改革探索 [J].通訊世界, 2015(20)：29-32.

[3] 王鳴.基于模糊控制理論的一種PID參數(shù)自整定控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J].自動化與儀器儀表，2000，18(1)：14-17.

[4] 李明杰,趙志誠,桑海.單級倒立擺的分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器設(shè)計(jì)[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(1)：23-24.

PID Control Deflector Means of Design and Implementation

ZHANG Yang

(Department of Electrical Engineering and Automation, Shanxi Vocational and Technical College, Taiyuan 030006, China)

This 2015 National Undergraduate Electronic Design Contest Control Class Title - wind deflector control system design device introduces the STC89C52 microcontroller as the core control system by using the angle sensor (WDD351) real-time detection windsurfing offset angle through the microcontroller program PID control algorithm processing PWM control signal, and then adjusting the air supply fan makes windsurfing to meet the requirements angle. Algorithm is different from the common control system, which uses PID control algorithm that is not required to determine the precise mathematical model of controlled object, according to the rules of the organization controlling control decision tables, the control decision table determines the amount of control the size. PID control solved the problem in the face of trigonometric mathematical model of controlled object so as to better complete the competition requirements, and the product achieved good results.

microcontroller， angle sensor， PID

1673-2057(2016)06-0443-04

2016-01-22

張揚(yáng)(1983-),講師,碩士研究生,產(chǎn)要研究方向?yàn)榭删幊炭刂破鞯拈_發(fā)與應(yīng)用。

TP237

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.06.005