金冬子　朱軍

摘要：本系統(tǒng)是由STM32控制模塊、姿態(tài)檢測模塊、風力擺模塊、液晶顯示模塊以及風力擺機械結構組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其實現(xiàn)了風力擺在直流風機為動力控制下迅速啟擺、直線運動、恢復靜止的功能，并能精準地繪制不同直線，且在受風力影響后能夠快速恢復畫圓狀態(tài)，具有很好的重復性。姿態(tài)檢測模塊MPU6050采集風力擺姿態(tài)角，STM32處理姿態(tài)角數(shù)據(jù)后通過PID精確算法調節(jié)直流風機以控制風力擺。另外，本系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，各參數(shù)及測試模式可由按鍵輸入并通過液晶顯示，穩(wěn)定性高、反應速度快。

關鍵詞： PID算法；MPU6050；STM32

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）23-0180-03

Abstract： This system is composed of STM32 control module， attitude detection module， the wind pendulum module， LCD module， and the machinery structure. In fact， the wind pendulum is now under the direct current fan for the dynamic control of the fast swing， linear motion， restore the stationary state， and it can accurately draw different lines， even though under the wind influence， it has a very good repeatability. Attitude detection module MPU6050 collects the attitude angle of the wind pendulum， and the STM32 processing attitude angle data is adjusted by PID to control the Wind pendulum. In addition， the system has a good man-machine interface， the parameters and test mode can be input by the key and display through the LCD， the stability is high， the reaction rate is fast.

Key words： PID Algorithm； MPU6050； STM32

風力擺系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)中的一個典型的研究對象。在工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)有著較為廣泛的應用前景。本系統(tǒng)通過數(shù)字式PID算法可實現(xiàn)風力擺的圓周運動和定向線段的運動，并且系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性和精確度。

1 系統(tǒng)方案

1.1總體方案

本風力擺控制系統(tǒng)主要包括單片機控制模塊、電機驅動模塊、姿態(tài)采集模塊、風力擺模塊、液晶顯示模塊、人機交互系統(tǒng)以及風力擺機械結構組成。風力擺由萬向節(jié)連接碳纖維管再連接風機組成。位于碳桿最下方的姿態(tài)采集模塊不斷采集風力擺當前姿態(tài)角并反饋給主控芯片STM32。STM32控制液晶顯示姿態(tài)角數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)后通過控制PWM波占空比控制風機轉速實現(xiàn)對風力擺的控制。本系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

1.2方案論證

1.2.1風力擺運動控制方案的選擇與論證

方案一：將三個直流風機兩兩分別成120°角，作為動力系統(tǒng)。此方案有利于減輕擺自身的重力，但由于形成等邊三角形，相鄰兩風機夾角過大，依舊不利于精確控制風力擺狀態(tài)。

方案二：采用四只直流風機作為動力系統(tǒng)。四只風機尾部靠于擺桿，朝向成順時針排列，通過控制四只風機轉速控制風力擺當前狀態(tài)，此方案風力擺負載最重，但對于控制風力擺狀態(tài)最為精確，且動力最足。

綜合上述比較，考慮系統(tǒng)的快速工作以及精確控制，本系統(tǒng)采用方案二。

1.2.2角度測量方案的選擇與論證

方案一：采用二維平面內角位移傳感器測量風力擺轉動時關于靜止狀態(tài)時的偏轉角。該方案軟件處理繁瑣，且二維平面內的角位移傳感器不利于測量風力擺的空間位置，不利于實現(xiàn)對風力擺的精確控制。

方案二采用三維角度傳感器。用三維角度傳感器時刻測量風力擺當前姿態(tài)通過處理采集的姿態(tài)角數(shù)據(jù)控制風機帶動擺運動。此方案可精確測量風力擺當前姿態(tài)，實現(xiàn)對風力擺的精確控制。

綜合比較上述兩個方案，本系統(tǒng)采用方案二。

1.2.3 控制算法方案的選擇與論證

方案一：采用模糊控制算法， 模糊控制有許多良好的特性，它不需要事先知道對象的數(shù)學模型，具有系統(tǒng)響應快、超調小、過渡過程時間短等優(yōu)點，但編程復雜，數(shù)據(jù)處理量大。

方案二：采用經(jīng)驗法，弱化加速度計的作用，根據(jù)多次試驗經(jīng)驗將距離、角度等變量與PWM輸出參數(shù)相對應并存儲在數(shù)組中等待調用，優(yōu)點是可以簡化算法與程序，缺點是適應環(huán)境能力差。

方案三：采用PID算法，按比例、積分、微分的函數(shù)關系，進行運算，將其運算結果用以輸出控制。優(yōu)點是控制精度高，且算法簡單明了。對于本系統(tǒng)的控制已足夠精確，與方案一相比節(jié)約了單片機的資源和運算時間。

綜合比較上述三個方案，本系統(tǒng)采用方案三。

2 軟件設計

2.1軟件流程圖

軟件流程如圖2所示，首先開啟對姿態(tài)傳感器的檢測，確定是否產(chǎn)生中斷。產(chǎn)生中斷，則對數(shù)據(jù)進行接受。四路PWM波控制四路風機的轉動。接下來，用戶通過按鍵對風機進行模式的選擇。主要有兩個模式，分別為圓周運動和定向線段。根據(jù)姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，調用PID算法調整PWM波的輸出，調節(jié)風力姿態(tài)。預先可以通過姿態(tài)傳感器進行實驗，設定一個姿態(tài)變化幅度大小的閾值。當超過設定值時，認為存在干擾，進入防干擾模式。

2.2 PID控制規(guī)律

2.2.1 數(shù)學表達

2.2.2 PID原理詳解

比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值，不良的結果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內有余差的場合。

比例積分控制規(guī)律（PI）：在工程中比例積分控制規(guī)律是應用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。

比例微分控制規(guī)律（PD）：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設置得當?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有著顯著效果。因此，對于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。

2.2.3 PID算法應用于本系統(tǒng)

對于該系統(tǒng)來說，風力擺轉動角度比例 P對風力擺角速度進行比例調整，即對舵機轉動速度調整。比例越大，調節(jié)速度越快。但不能過大，過大可能造成四風機因工作狀態(tài)突變而是擺桿不穩(wěn)定。角度誤差積分 I使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。本系統(tǒng)追求更快更穩(wěn)完成對風力擺的控制，因此，本系統(tǒng)對積分調節(jié)的需要就非常弱。即保證在不需要時系統(tǒng)不會受到影響。角度微分D微分作用反映風力擺角度的變化率，即角速度。具有預見性，能預見偏差變化的趨勢因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，減少調節(jié)時間。

3 硬件設計

3.1機械結構設計

本系統(tǒng)采用四只直流風機作為動力系統(tǒng)。四只風機取尾部靠于擺桿，各風機依次呈09°排列，通過控制四只風機轉速控制風力擺當前狀態(tài)，此方案風力擺負載最重。擺桿由碳纖維管制作，長度約68cm，頂部與一萬向節(jié)相連接固定于金屬支架上。在擺桿底部放置一小型激光發(fā)射器。便于精確判別擺桿運動狀態(tài)。

3.2電路設計

3.2.1主控電路板

該電路基于STM32核心板，并在此基礎上增加了程序下載、按鍵模式選擇、四路PWM輸出、蜂鳴器報警等功能，覆蓋了本系統(tǒng)對硬件電路的需求，如圖4所示。

3.2.2電機驅動電路板

本系統(tǒng)中，直流風機作為動力系統(tǒng)需要較大的驅動電流及穩(wěn)定的驅動電壓，并且需要對四個風機進行驅動，故本系統(tǒng)對電機驅動提出了較高要求，該電路利用主控芯片產(chǎn)生PWM波[4-9]控制MOS管通斷成功實現(xiàn)了對大電流直流風機的驅動，如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

4.1測試方法及儀器

測試方法：控制變量法、理想化方法、等效替代法

儀器：低頻毫伏表、數(shù)字風速儀、水平儀、萬用表、秒表、量角器、尺子

4.2測試結果

4.2.1驅動風力擺工作

在15s內使激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于 50cm的直線段，來回五次，記錄其最大偏差距離。測試結果如表1所示。

4.2.3設置風力擺自由擺時角度，驅動風力擺工作

記錄不同角度畫出20cm直線時的最大偏差角度。測試結果如表3所示。

4.2.4將風力擺拉起一定角度放開，驅動風力擺工作

測試風力擺制動達到靜止狀態(tài)所用時間。測試結果如表4所示。

5 結論

通過系統(tǒng)測試可知，本系統(tǒng)基本達到目標，具有一定的精確度和穩(wěn)定度?？梢赃M行定向線段和圓周運動，方便運用于很多對物體運動進行控制的場景。今后，將針對系統(tǒng)進行完善，以達到更多方式的運動并且提高運動的精準性和穩(wěn)定性。

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