基于PID控制器的滾球控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

李世甲，萬(wàn) 超，李海龍，藺瑞英

0 引言

2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽本科組B題要求設(shè)計(jì)制作一滾球控制系統(tǒng)，在邊長(zhǎng)為65 cm光滑正方形平板上均勻分布9個(gè)外徑3 cm的圓形區(qū)域，其編號(hào)為1-9號(hào)（從左至右依次排列），如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)控制平板的傾斜，使直徑不大于2.5 cm的小球能夠按照指定的要求在平板上完成動(dòng)作，并從動(dòng)作開(kāi)始計(jì)時(shí)且顯示時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)的基本要求如下：（1）在15 s內(nèi)，控制小球從區(qū)域1進(jìn)入?yún)^(qū)域5，在區(qū)域5停留不少于2 s.（2）控制小球從區(qū)域1進(jìn)入?yún)^(qū)域4，在區(qū)域4停留不少于2 s，然后再進(jìn)入?yún)^(qū)域5，小球在區(qū)域5停留不少于2 s.完成以上兩個(gè)動(dòng)作總時(shí)間不超過(guò)20 s.（3）在30 s內(nèi)，控制小球從區(qū)域1進(jìn)入?yún)^(qū)域9，且在區(qū)域9停留不少于2 s.

圖1 平板位置分布示意圖

本文研究的滾球控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽題目要求的同時(shí)，可用于《機(jī)械電子工程專業(yè)導(dǎo)論》《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》《單片機(jī)原理及應(yīng)用》等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，或作為學(xué)生課外科技作品制作范例，提升學(xué)生專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)興趣。

1 滾球控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，測(cè)控系統(tǒng)要使小球按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)。本文通過(guò)切換6個(gè)啟動(dòng)、復(fù)位按鍵實(shí)現(xiàn)3個(gè)題目要求的動(dòng)作并在LCD液晶屏顯示動(dòng)作時(shí)間。完成相應(yīng)的控制任務(wù)，關(guān)鍵在于反饋信息的準(zhǔn)確性和對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，為此將系統(tǒng)分為五個(gè)模塊，系統(tǒng)整體方案框如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

1.2 控制器模塊

控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，承載著執(zhí)行控制算法，實(shí)現(xiàn)控制功能的作用。對(duì)于89C52單片機(jī)，原理簡(jiǎn)單，成本低，綜合考慮后選擇其作為本控制系統(tǒng)控制器模塊[1]。

1.3 位置檢測(cè)模塊

由于購(gòu)買的Chihod紅外線光電傳感器，最大測(cè)量范圍為30 cm，經(jīng)測(cè)試及計(jì)算，其布置方式如圖3所示。S2和區(qū)域1的中心距距離為4 cm.

圖3 傳感器布置圖

1.4 動(dòng)力裝置

動(dòng)力裝置作為本控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其提供的動(dòng)力是否充足、可調(diào)性是否優(yōu)良直接決定能否完成控制任務(wù)和控制質(zhì)量的高低。在考慮了成本、體積、時(shí)效性等因素的基礎(chǔ)上選擇了28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)，利用步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制木板翻轉(zhuǎn)。

1.5 外圍輔助模塊

本系統(tǒng)中的外圍輔助模塊，主要是指與對(duì)滾球的控制不起直接作用的功能調(diào)用模塊（按鍵）、顯示模塊（LCD1602液晶）、聲光提示模塊、數(shù)字式可調(diào)電源。

1.6 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。平板1中間放置于萬(wàn)向節(jié)3之上，萬(wàn)向節(jié)3通過(guò)立柱4與底盤(pán)7相連接，平板1可在萬(wàn)向節(jié)3之上360°擺動(dòng)；電機(jī)5、6安裝在立柱上，同步帶2兩端系在平板1的孔內(nèi)，并通過(guò)帶輪及聯(lián)軸器與電機(jī)5、6末端相連，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，可調(diào)節(jié)平板1的左右傾斜，通過(guò)電機(jī)5、6的聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)平板1的45°傾斜。光電模塊8安裝在平板1上，檢測(cè)小球通過(guò)的時(shí)間，并向控制系統(tǒng)反饋，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，用以控制小球速度。通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[2]，實(shí)現(xiàn)平板的翻轉(zhuǎn)，通過(guò)平板的翻轉(zhuǎn)速度及角度，使小球按預(yù)設(shè)軌道運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)軌跡。制作的滾球控制系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 滾球控制系統(tǒng)實(shí)物圖

2 控制策略

2.1 PID控制

PID控制是將偏差的比例、積分和微分三者通過(guò)組合構(gòu)成控制量。比例調(diào)節(jié)規(guī)律依據(jù)“偏差的大小”來(lái)動(dòng)作，它的輸出變化量與輸人偏差成比例，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，作用及時(shí)，能有效地克服各種干擾，是最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律，它的缺點(diǎn)是不能消除余差，因此只能用于那些對(duì)被調(diào)參數(shù)精度要求不高的場(chǎng)合。常用比例度Kp表示比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。Kp越小，表示比例增益越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。同時(shí)，Kp越小，被調(diào)參數(shù)余差也越小，但調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖6所示[3]。

圖6 PID控制系統(tǒng)原理圖

2.2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上要求和PID原理，設(shè)計(jì)的滾球控制系統(tǒng)各部分的關(guān)系如圖7所示。單片機(jī)資源分配如圖8所示，LCD接線如圖9所示。LCD1602引腳連接方式如下：數(shù)據(jù)位D0～D7分別接單片機(jī)p0～p7，數(shù)據(jù)處理位 RS、RW、E 分別接單片機(jī) p2.5～2.7，引腳 1（GND）和 16（K）接地，引腳 2（VCC）和 15（A）接電源正極。

圖7 控制系統(tǒng)示意圖

圖8 單片機(jī)資源分配圖

3 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成小球從1區(qū)進(jìn)入5區(qū)；從1區(qū)進(jìn)入4區(qū)，停留后進(jìn)入5區(qū)；小球從1區(qū)進(jìn)入9區(qū)并停留。但是，誤差及穩(wěn)定性較差，原因是：（1）滾球控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)受制作工藝所限，其剛度及穩(wěn)定性較差；（2）采用的控制方法過(guò)于簡(jiǎn)單，控制不夠精確；（3）板材及小球的材質(zhì)匹配不夠優(yōu)化。

[1]朱玉紅，林小軍.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3]彭珍瑞，董海棠.控制工程基礎(chǔ)[M].2版.北京：高等教育出版社，2015.