風力擺控制系統(tǒng)的設計思路和方案分析

2015年全國大學生電子設計競賽（瑞薩杯）風力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】2015年8月15日摘要本文論述了風力擺控制系統(tǒng)的設計思路和方案分析。本系統(tǒng)采用MC9S12XS128作為風力擺控制系統(tǒng)主控，MPU6050作為風力擺角度傳感器。MPU6050返回的信號經由IIC總線發(fā)送到MPU進行處理，通過PID算法、數(shù)據融合、互補濾波等算法進行角度的精準控制。角度返回值由算法整合處理后，以PWM信號輸出，通過BTS7971驅動軸流風機，進而控制軸流風機的風速控制風力擺的擺動。關鍵詞風力擺；控制；MC9S12XS128；MPU6050；PWM；BTS7971目錄摘要I1系統(tǒng)方案111風力擺擺動方案的論證與選擇112軸流風機選擇方案的論證與選擇113軸流風機安裝方案的論證與選擇12系統(tǒng)理論分析與計算121系統(tǒng)總體的分析1212風力擺按固定方向擺動分析2213風力擺快速保持靜止分析2214風力擺發(fā)揮部分分析222控制算法的計算3221PWM值的計算33電路與程序設計431電路的設計4311系統(tǒng)總體框圖4312電路原理圖4313角度采集電路432程序的設計4321程序功能描述與設計思路4322程序流程圖54測試方案與測試結果541測試方案542測試條件與儀器543測試結果5431測試結果數(shù)據5附錄1電路原理圖7附錄2電路圖8附錄3源程序91系統(tǒng)方案11風力擺擺動方案的論證與選擇方案一選取大功率軸流風機，可在短時間內移動到平面內任意一點，但是風力太大導致擺動過大，不好控制。方案二選取小功率軸流風機，可以在短時間內吹到一定的角度，風力適中，擺動較小，容易控制。綜上所述，考慮到控制的方便及易操控性，選擇方案二。12軸流風機選擇方案的論證與選擇方案一DC12V，17A小型軸流風機。軸流風機加額定電壓，有5度的偏角，三次加速擺動后可以達到題目要求。方案二直流電機加扇葉改裝。風力較大，移動速度快，可達30度偏角，但轉速太快，重心不穩(wěn)定且有一定安全風險，不適合風力擺。綜合以上兩種方案，選擇方案二。13軸流風機安裝方案的論證與選擇方案一用粗單股導線將風力擺吊掛在支架上。軸流風機組由四個軸流風機組成，軸流風機間互成90度。相對于三個軸流風機的風力擺，風力擺自身重量增加，但擺動幅度能達到要求。此方案缺點在于在控制過程中，軸流風機組會旋轉，總而對控制產生干擾，難以完成題目要求。方案二用碳素纖維桿連接萬向節(jié)固定在一支架上。軸流風機組由四個軸流風機組成，軸流風機間互成90度。與方案二不同點在于使用了硬質桿連接軸流風機組，解決了軸流風機組旋轉的問題。綜合以上兩種方案，選擇方案二。2系統(tǒng)理論分析與計算21系統(tǒng)總體的分析211風力擺畫直線段的受力分析通過調節(jié)風機產生的力的大小，來調節(jié)風力擺所受合力大小，即風力擺的回復力大小。212風力擺按固定方向擺動分析X軸畫直線方案當風力擺按照預設的高度做X軸上的穩(wěn)定直線擺動時，他的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型是單擺運動。考慮到風力擺從靜止達到穩(wěn)定的X軸擺動時，Y軸的分量為零，所以垂直于X軸的Y軸對他的控制施加為零即可，控制過程轉化為主要的X軸的控制。對于理想的單擺運動擺在兩端達到的高度是不變的，就是簡諧運動，這是系統(tǒng)的機械能恒定不變公式1。由于空氣阻力靜摩擦力等阻尼會使系統(tǒng)能量漸漸減小到零，趨于靜止。據此可以通過增加或減小系統(tǒng)機械能和補償系統(tǒng)阻尼損失的能量來控制系統(tǒng)。1EPK由1式得2LCOSMGV21EX轉化為3SYWE上式中X是對X軸的偏角等于Z軸偏角，Y是Y軸的角速度等于X的微分，M,G,L為固定的數(shù)字，W相當于對E做線性變換。通過設定WSET值與實時計算的WGET，使用PI控制可以實現(xiàn)風力擺的穩(wěn)定沿著X軸畫直線。213風力擺快速保持靜止分析任意角度的劃線方案當設定角度為時可以通過坐標系變換將任意角度畫直線轉化為X軸換線來解決。當風力擺沿著軸劃線時，新建XOY坐標系是由XOY旋轉。這是對于XOY風力擺是沿著X軸單擺，通過上一種方案計算出控制量在逆變換到XOY系控制四路電機來實現(xiàn)任意角度的單擺畫出直線。XOY坐標系到XOY系的轉化SINCOYX4SIYXOY坐標系到XOY系的轉化SINCOYX5SIY214風力擺發(fā)揮部分分析畫圓方案類比衛(wèi)星的發(fā)射與變軌，考慮出一套控制方案。類比衛(wèi)星的發(fā)射與變軌，我們組考慮出一套控制方案。圓運動是兩維的單擺運動，同樣外界阻尼會使不加控制的運動能量發(fā)散趨于穩(wěn)定，我們還可以控制他的恒定能量來實現(xiàn)。在一個固定系統(tǒng)中，機械能與角速度的模值，線速度的模值，Z軸偏角有一一對應的關系?？刂扑悸肥怯嬎銛[的Z軸偏角來獲取圓的半徑大小，X,Y軸偏角計算線速度的方向向量。最后由設定半徑與反饋半徑的PI控制來求出擺的切向加減速，這個控制量要對線速度的方向逆變換，分解到X,Y軸的四路電機上實現(xiàn)。22控制算法的計算221PWM值的計算PID是一個閉環(huán)控制算法，因此要實現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是有反饋。PID控制算法中微分作用是控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對克服對象的容量滯后有顯著效果，在比例基礎上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差，因此PID控制算法適用于控制質量要求很高的控制系統(tǒng)。改變加到直流電機電樞兩端的直流驅動電壓，即可改變電機的轉速；改變該驅動電壓的極性，即可改變電機的旋轉方向。使用PWM（脈寬調制）方法，可以方便地改變加給電機電樞的平均電壓的大小。改變控制信號的占空比就可以改變電機的轉速。具體分析如下ONEAGLNLESTERO_（1）其中ERROR為擺桿的角度差，SET_ANGLE對應擺桿平衡時的角度值，ANGLE_ONE對應擺桿當前的角度值。ERKPU（2）其中KP為比例調節(jié)系數(shù)，通過公式可以看出增大KP可知角度差的作用加強，可加強系統(tǒng)的強硬速度，使擺桿迅速達到直立的狀態(tài)。OLDANGLE_LOD（3）其中ANGLE_ONE_OLD對應擺桿上一次采集到的角度值。KD為微分調節(jié)系數(shù)，ANGLE_ONEANGLE_ONE_OLD對應角度的變化值，因此可知，調節(jié)KD可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。UDPWM（4）把PWM的值給電機即可改變電機的轉速，從而使擺桿的角度改變，最終實現(xiàn)擺桿的穩(wěn)定。3電路與程序設計31電路的設計311系統(tǒng)總體框圖圖311系統(tǒng)總體框圖312電路原理圖見附錄圖2圖312。313角度采集電路見附錄圖2圖313。32程序的設計321程序功能描述與設計思路1、程序功能描述程序通過讀取MPU6050回傳數(shù)據進行當前角度計算，從而控制電機修正風力擺姿態(tài)與速度，可通過按鍵選擇擺動模式，并由12864液晶顯示當前各軸角度、加速度和當前模式。當MC9S12XS128檢測到風力擺達到目標姿態(tài)時控制蜂鳴器報警。2、程序設計思路先在主函數(shù)中進行初始化，初始化后進入循環(huán)不斷顯示各項參數(shù)。設置兩個定時中斷，在定時中斷1的中斷函數(shù)中通過I2C協(xié)議讀取MPU6050采集數(shù)據將得到數(shù)據進行異常判斷后用融合算法進行計算得到各軸參數(shù)。在定時中斷2的中斷函數(shù)中對采集的數(shù)據與期望的參數(shù)對比通過PI算法對電機進行控制從而使風力擺做預期動作。322程序流程圖主程序流程圖如圖314圖314主程序流程圖4測試方案與測試結果41測試方案1、硬件測試根據電路圖，先進行硬件仿真，然后焊接系統(tǒng)各子系統(tǒng)，多次檢驗后，上電進行各系統(tǒng)的測試。多次測試并記錄數(shù)值，通過數(shù)值返回，判斷各子系統(tǒng)是否工作正常。2、軟件仿真測試通過編譯軟件及多種輔助工具進行在線仿真測試。在軟件仿真過程中，保證系統(tǒng)板工作正常，測試并記錄各參數(shù)返回值，進行數(shù)據分析，判斷程序的可靠性及穩(wěn)定性。3、硬件軟件聯(lián)調將各系統(tǒng)整合形成完整的系統(tǒng)，多次檢測確認無誤后，先上電測試整體系統(tǒng)工作是否正常。確保硬件系統(tǒng)正常工作后，通過軟件仿真測試并記錄返回數(shù)據，進行數(shù)據分析，判斷系統(tǒng)是否工作正常。42測試條件與儀器測試條件多次檢查，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，檢查無誤后，上電進行測試。測試儀器高精度的數(shù)字毫伏表，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表。43測試結果431測試結果數(shù)據表41擺桿畫出直線段（大于50CM）測試次數(shù)運動時間/S直線段長度/CM116722146831270表42擺桿畫出可設置長度直線（3060CM）預設直線長度/CM運動時間/S實際得到長度/CM長度偏差/CM358372458432557594表43按設定方向擺動畫出直線段（大于20CM）表44風力擺拉起固定后角度自動靜止（3045）表45驅動擺桿做3次圓周運動（15CMFILTER_NUMWFILTER_CNT0LINEERROR_DOTLINEERRORLINEE