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风力摆pid调节_风力摆控制系统_系统结构图解

发布时间:2021-01-02 19:36

  风力摆系统是一种利用风力对物体进行位置控制的设备,在我国虽然还没有成品的销售与应用,但这种控制理论已经应用于方方面面。目前的普遍问题风力摆系统的自动控制水平不高。

  系统由五部分构成,分别是控制器AT89S52,驱动电路L298N,风力摆运动部件,摆角度检测电路、人机交互键盘和LCD显示器。

  AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在线可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,澳门赌场,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器,时钟频率、存储空间和基本接口完全可以满足系统控制要求。

  L298N是一款高输入电压,具有双H桥大电流输出驱动的集成电路,输入信号兼容TTL电平,输入电压最大46V,输出直流电流最大4A,可以驱动直流电机、步进电机或继电器等执行机构。它具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许器件控制两路输入信号,所以使用一片L298N芯片可以驱动两台直流电机。通过输入PWM脉冲,控制加在直流电机上的平均电压,从而达到控制风机转速[1]。

  将MPU6050固定在风力摆上,通过它监测摆的角度,同时将采集的数据送给控制器进行处理。MPU6050构成的角度监测电路如图2。

  系统采用12864LCD,用于显示角度、幅度等参数,为了节省单片机I/O口资源,LCD选择串行通信方式完成信息传递。

  为了能够对风力摆运动的模式、距离和偏转角度等参数进行设定,同时考虑电路简洁,选择独立式结构的五个键组成按键电路,分别接到单片机的I/O口上。

  由于风力摆是在运动状态下控制器不断地采集姿态数据并进行判断,然后控制风机对摆的运动轨迹做出修正。这是一种典型的随动系统,由于控制对象的准确数学模型建立较为困难所以采用数字PID控制算法。

  PID算法就是对偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的调节算法[3]。数字化的PID算法如(1)。

  其中uk是控制量,e(k)是控制偏差,Kp是比例系数,T是系统采样周期,TI是积分时间,TD是微分时间。

  由于风力摆的实时性要求较高,要能够迅速对摆的运动做出响应,所以除了比例调节外,必须要有微分调节,由于积分调节过程会增加调节时间,所以算法利用PD调节器进行偏差计算得到控制量。

  其中e是摆的偏差,set_angle是摆的设定角度,cur_angle是采集到当前摆的角度。

  其中Kd是微分系数。通过上述算法式计算出控制量u(最后将控制量转变为PWM),利用计算出的PWM控制量控制风机速度,同时反复调整Kp和Kd值使控制系统运动性能符合要求。

  实验结果表明,通过反复测试和调整PD调节器参数,风机可控制摆做指定长度直线运动、指定角度直线运动和指定半径的圆周运动,在稳定性、准确性和快速性上能够达到设计要求。

  本系统由微处理器STM32,直流风机及驱动,惯性测量单元MPU6050,OLED显示,4X4矩阵键盘,蜂鸣器构成。系统运行可分为两部分:风力摆的控制部分和预设值输入与显示部分。风力摆控制是由STM32定时器输出频率,占空比可调的PWM波经驱动模块之后,使直流风机的转数与PWM波占空比成线性关系,以此达到控制风力摆摆动的目的。预设值输入与显示是通过矩阵键盘将预设值输入到微处理器。再由处理器将数据送至OLED上显示。MPU6050的三轴加速度数据和三轴角速度数据,经MCU解算之后得到风力摆摆角,形成信号反馈回路。组成闭环控制系统。控制算法为PI调节。


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