风力摆控制系统的设计思路和方案分析

2015年全国大学生电子设计竞赛（瑞萨杯）风力摆控制系统（B题）【本科组】2015年8月15日摘要本文论述了风力摆控制系统的设计思路和方案分析。本系统采用MC9S12XS128作为风力摆控制系统主控，MPU6050作为风力摆角度传感器。MPU6050返回的信号经由IIC总线发送到MPU进行处理，通过PID算法、数据融合、互补滤波等算法进行角度的精准控制。角度返回值由算法整合处理后，以PWM信号输出，通过BTS7971驱动轴流风机，进而控制轴流风机的风速控制风力摆的摆动。关键词风力摆；控制；MC9S12XS128；MPU6050；PWM；BTS7971目录摘要I1系统方案111风力摆摆动方案的论证与选择112轴流风机选择方案的论证与选择113轴流风机安装方案的论证与选择12系统理论分析与计算121系统总体的分析1212风力摆按固定方向摆动分析2213风力摆快速保持静止分析2214风力摆发挥部分分析222控制算法的计算3221PWM值的计算33电路与程序设计431电路的设计4311系统总体框图4312电路原理图4313角度采集电路432程序的设计4321程序功能描述与设计思路4322程序流程图54测试方案与测试结果541测试方案542测试条件与仪器543测试结果5431测试结果数据5附录1电路原理图7附录2电路图8附录3源程序91系统方案11风力摆摆动方案的论证与选择方案一选取大功率轴流风机，可在短时间内移动到平面内任意一点，但是风力太大导致摆动过大，不好控制。方案二选取小功率轴流风机，可以在短时间内吹到一定的角度，风力适中，摆动较小，容易控制。综上所述，考虑到控制的方便及易操控性，选择方案二。12轴流风机选择方案的论证与选择方案一DC12V，17A小型轴流风机。轴流风机加额定电压，有5度的偏角，三次加速摆动后可以达到题目要求。方案二直流电机加扇叶改装。风力较大，移动速度快，可达30度偏角，但转速太快，重心不稳定且有一定安全风险，不适合风力摆。综合以上两种方案，选择方案二。13轴流风机安装方案的论证与选择方案一用粗单股导线将风力摆吊挂在支架上。轴流风机组由四个轴流风机组成，轴流风机间互成90度。相对于三个轴流风机的风力摆，风力摆自身重量增加，但摆动幅度能达到要求。此方案缺点在于在控制过程中，轴流风机组会旋转，总而对控制产生干扰，难以完成题目要求。方案二用碳素纤维杆连接万向节固定在一支架上。轴流风机组由四个轴流风机组成，轴流风机间互成90度。与方案二不同点在于使用了硬质杆连接轴流风机组，解决了轴流风机组旋转的问题。综合以上两种方案，选择方案二。2系统理论分析与计算21系统总体的分析211风力摆画直线段的受力分析通过调节风机产生的力的大小，来调节风力摆所受合力大小，即风力摆的回复力大小。212风力摆按固定方向摆动分析X轴画直线方案当风力摆按照预设的高度做X轴上的稳定直线摆动时，他的稳态数学模型是单摆运动。考虑到风力摆从静止达到稳定的X轴摆动时，Y轴的分量为零，所以垂直于X轴的Y轴对他的控制施加为零即可，控制过程转化为主要的X轴的控制。对于理想的单摆运动摆在两端达到的高度是不变的，就是简谐运动，这是系统的机械能恒定不变公式1。由于空气阻力静摩擦力等阻尼会使系统能量渐渐减小到零，趋于静止。据此可以通过增加或减小系统机械能和补偿系统阻尼损失的能量来控制系统。1EPK由1式得2LCOSMGV21EX转化为3SYWE上式中X是对X轴的偏角等于Z轴偏角，Y是Y轴的角速度等于X的微分，M,G,L为固定的数字，W相当于对E做线性变换。通过设定WSET值与实时计算的WGET，使用PI控制可以实现风力摆的稳定沿着X轴画直线。213风力摆快速保持静止分析任意角度的划线方案当设定角度为时可以通过坐标系变换将任意角度画直线转化为X轴换线来解决。当风力摆沿着轴划线时，新建XOY坐标系是由XOY旋转。这是对于XOY风力摆是沿着X轴单摆，通过上一种方案计算出控制量在逆变换到XOY系控制四路电机来实现任意角度的单摆画出直线。XOY坐标系到XOY系的转化SINCOYX4SIYXOY坐标系到XOY系的转化SINCOYX5SIY214风力摆发挥部分分析画圆方案类比卫星的发射与变轨，考虑出一套控制方案。类比卫星的发射与变轨，我们组考虑出一套控制方案。圆运动是两维的单摆运动，同样外界阻尼会使不加控制的运动能量发散趋于稳定，我们还可以控制他的恒定能量来实现。在一个固定系统中，机械能与角速度的模值，线速度的模值，Z轴偏角有一一对应的关系。控制思路是计算摆的Z轴偏角来获取圆的半径大小，X,Y轴偏角计算线速度的方向向量。最后由设定半径与反馈半径的PI控制来求出摆的切向加减速，这个控制量要对线速度的方向逆变换，分解到X,Y轴的四路电机上实现。22控制算法的计算221PWM值的计算PID是一个闭环控制算法，因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是有反馈。PID控制算法中微分作用是控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著效果，在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差，因此PID控制算法适用于控制质量要求很高的控制系统。改变加到直流电机电枢两端的直流驱动电压，即可改变电机的转速；改变该驱动电压的极性，即可改变电机的旋转方向。使用PWM（脉宽调制）方法，可以方便地改变加给电机电枢的平均电压的大小。改变控制信号的占空比就可以改变电机的转速。具体分析如下ONEAGLNLESTERO_（1）其中ERROR为摆杆的角度差，SET_ANGLE对应摆杆平衡时的角度值，ANGLE_ONE对应摆杆当前的角度值。ERKPU（2）其中KP为比例调节系数，通过公式可以看出增大KP可知角度差的作用加强，可加强系统的强硬速度，使摆杆迅速达到直立的状态。OLDANGLE_LOD（3）其中ANGLE_ONE_OLD对应摆杆上一次采集到的角度值。KD为微分调节系数，ANGLE_ONEANGLE_ONE_OLD对应角度的变化值，因此可知，调节KD可以改善系统的动态性能。UDPWM（4）把PWM的值给电机即可改变电机的转速，从而使摆杆的角度改变，最终实现摆杆的稳定。3电路与程序设计31电路的设计311系统总体框图图311系统总体框图312电路原理图见附录图2图312。313角度采集电路见附录图2图313。32程序的设计321程序功能描述与设计思路1、程序功能描述程序通过读取MPU6050回传数据进行当前角度计算，从而控制电机修正风力摆姿态与速度，可通过按键选择摆动模式，并由12864液晶显示当前各轴角度、加速度和当前模式。当MC9S12XS128检测到风力摆达到目标姿态时控制蜂鸣器报警。2、程序设计思路先在主函数中进行初始化，初始化后进入循环不断显示各项参数。设置两个定时中断，在定时中断1的中断函数中通过I2C协议读取MPU6050采集数据将得到数据进行异常判断后用融合算法进行计算得到各轴参数。在定时中断2的中断函数中对采集的数据与期望的参数对比通过PI算法对电机进行控制从而使风力摆做预期动作。322程序流程图主程序流程图如图314图314主程序流程图4测试方案与测试结果41测试方案1、硬件测试根据电路图，先进行硬件仿真，然后焊接系统各子系统，多次检验后，上电进行各系统的测试。多次测试并记录数值，通过数值返回，判断各子系统是否工作正常。2、软件仿真测试通过编译软件及多种辅助工具进行在线仿真测试。在软件仿真过程中，保证系统板工作正常，测试并记录各参数返回值，进行数据分析，判断程序的可靠性及稳定性。3、硬件软件联调将各系统整合形成完整的系统，多次检测确认无误后，先上电测试整体系统工作是否正常。确保硬件系统正常工作后，通过软件仿真测试并记录返回数据，进行数据分析，判断系统是否工作正常。42测试条件与仪器测试条件多次检查，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，检查无误后，上电进行测试。测试仪器高精度的数字毫伏表，数字示波器，数字万用表。43测试结果431测试结果数据表41摆杆画出直线段（大于50CM）测试次数运动时间/S直线段长度/CM116722146831270表42摆杆画出可设置长度直线（3060CM）预设直线长度/CM运动时间/S实际得到长度/CM长度偏差/CM358372458432557594表43按设定方向摆动画出直线段（大于20CM）表44风力摆拉起固定后角度自动静止（3045）表45驱动摆杆做3次圆周运动（15CMFILTER_NUMWFILTER_CNT0LINEERROR_DOTLINEERRORLINEE