柯子攀 风力摆控制系统

1、B题 风力摆控制系统摘要 本文介绍风力摆控制系统的设计与制作，系统以STM32F103RCT6为主控、MPU-6050角度传感器检测摆角，通过轴流风机驱动驱动风力摆实现摆杆摆动或制动静止。根据风力摆的数学模型分析，确定了风力摆杆角度和风力之间的PID控制算法，并在实验中优化控制参数。经反复试验，证明系统实现了风力摆控制系统的设计要求。关键字：风力摆控制系统  STM32F103RCT6 角度传感器 轴流风机 Abstract This paper introduces the design and manufacture of wind pendulum control system

2、, system with STM32F103RCT6 as the master, the MPU - 6050 Angle, Angle sensor by axial flow fan driver wind pendulum swinging rod swings or brake static. According to the mathematical model of the wind swing analysis, to determine the wind swinging rod Angle between the wind and the PID control algo

3、rithm, and optimize the control parameters in the experiment. Proved by trial and error, the system has realized the wind pendulum control system design requirements.Keywords:wind pendulumcontrol system  STM32F103RCT6 angle sensor axial flow fan一、总体设计方案（一）系统总体设计 系统总体设计本系统硬件包括主控芯片、角度传感器、轴流风机、电机驱

4、动、电源、摆杆及支架，设计总体框图如图B-1所示。该系统采用STM32F103RCT6做为主控模块。角度传感器将采集到的模拟信号送到单片机进行A/D转换与处理，进而判断摆杆的偏摆方向和角度，经过计算后输出相应控制信号给电机驱动器，控制步进电机正反转和转速变化，从而达到使风力摆杆制动达到静止状态。电源电机驱动轴流风机摆臂显示模块STM32F103RCT6MPU-6050角度传感器图B-1 系统总体框图（二）方案比较与选择1、主控芯片的比较与选择  方案一：采用51或者AVR、PIC等流行已久的8位MCU作主控。 价格低廉，资料众多。功能有限，计算能力有限。 方案二：采用STM32系列的

5、STM32F103RCT6。 风力摆控制系统系统要求处理器具有足够的内存、闪存，快速的信号采集能力，因此我们选用STM32F103RCT6，集成仿真器，方便软件仿真调试，板上为STM32F103RCT6单片机，该单片机超低功耗，运算速度快，性价比高。 通过介绍主控芯片选择方案二。2、风机的比较与选择方案一：采用离心风机。 离心风机是将流体从风扇的轴向吸入后利用离心力将流体从圆周方向甩出去，它具有通风换气效果好，适用性强，运行平稳，坚固耐用，但是由于体积大，在制作模型时不方便。方案二：采用轴流风机。 轴流风机具有功耗低、散热快、噪音低、节能环保等左右，同时由于体积小，结构简单、稳固可靠，方便控制

6、。 考虑到模型制作条件极其简陋，为了能更好的完成风力摆控制系统的制作，选择方案二更好。3、角度传感器的比较与选择  方案一：采用凌阳公司的MXD2020EL传感器。在正常工作下，传感器将测到的倾角直接转换为占空比不同的频率输出。  方案二：采用SCA60C传感器。该传感器抗干扰能力强，低功耗，输出信号为0.5V-4.5V的模拟电压。方案三：采用MPU-6050传感器，该传感器是将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000&

7、#176;/秒（dps），同时可以，移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。 MXD2020E和SCA60C都相对容易控制和计算，但他们的测量精度不够高，反应速度不够快，无法满足设计的需求。考虑到模型制作条件极其简陋，风力摆轴的制作及与传感器连接困难，所以采集模拟信号再转换成数字信号测量的方法，这样可以使测量精度更高，反应速度更快，故选择方案三。4、控制算法的比较与选择 方案一：PID算法是在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立

8、，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象一阶滞后+纯滞后与二阶滞后+纯滞后的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD）。 方案二：LQR算法。LQR (linear quadratic regulator)即线性二次型调节器 ,其对象是现代控制理论中以状态空间形式给出的线性系统 ,而目标函数为对象状态和控制输入的二次型函数。LQR最优设计是指设计出的状态反馈控制器 K要使二次型目标函数J 取最小值,而 K由权矩阵Q 与 R 唯一决定,故此 Q、R的选择尤为重要。LQR

9、理论是现代控制理论中发展最早也最为成熟的一种状态空间设计法。特别可贵的是 ,LQR可得到状态线性反馈的最优控制规律 ,易于构成闭环最优控制。而且MATLAB的应用为LQR 理论仿真提供了条件 ,更为我们实现稳、准、快的控制。 选择控制算法时考虑到模型制作条件极其简陋，尽量选择原理简单，易于实现的控制算法，故选择方案一。二、测控方法（一）风力摆状态检测 在本设计中，风力摆杆的角度测量所用的的部件是MPU-6050角度传感器和AD转换芯片。可调电位器固定宇旋臂上，其可调轴与摆杆上端固定，可随摆杆的摆动而转动，其可调端输出电压也会随之而变化。将电位器可调端的输出变化电压输入到AD芯片，即可

10、得到一系列变化的数字信号，通过与中心自由下垂处的电压信号判断摆杆向哪个方向摆动及摆动的度数。 （二）电机驱动 本系统电机驱动采用 BTS7960电机驱动。BTS7960电机驱动是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。P沟道高边开关省去了电荷泵的需求, 因而减小了EMI。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7960通态电阻典型值为16m，驱动电流可达43A，驱动电流大。 （三）控制算法  PID算法是比例微分、积分、控制器控制的过程

11、。其原理如图B-2所示。 (1)比例调节 P    比例系数 Kp 的大小决定了比例调节器调节的快慢程度，但Kp过大会使控制系统出现超调或振荡现象 Kp过小又起不到调节作用 比例控制无法消除余差。 (2)积分调节 I     积分作用可消除余差，积分常数 Ti 的大小决定了积分作用强弱程度，积分作用通常使系统的稳定性下降。因此，积分常数 Ti 大小的选择要得当。   (3）微分调节 D   当偏差 e 瞬间波动过快时，微分调节器会立即产生响应，来抑制偏差的变化，使系统更趋于稳定，改善了

12、系统的动态性能。图B-2 PID控制原理图 PID作为一种线性控制，根据 与实际输出值构成控制偏差：E(t)=- PID的控制规律为： 由上式可知PID控制是一种二型控制（提供两个零点消除机电），而被控对象旋转一级风力摆是一个二型系统，也只需要这种控制就能够达到平衡状态，通过PID控制旋转一级风力摆是可行的。三、系统设计（一）系统结构 本系统硬件结构包括主控芯片、MPU-6050角度传感器、轴流风机、电机驱动、电源、摆杆及支架。（2） 电路设计 1、角度传感器子系统框图与电路原理图(1)角度传感器子系统框图，如图B-3所示。单片机信号放大编码器图B-3 角度传感器子系统框图(2)角度传感器子系

13、统电路，如图B-4所示。图B-4 角度传感器子系统电路 2、电机驱动子系统框图与电路原理图（1）电机驱动子系统框图，如图B-5所示。轴流风机电机驱动单片机图B-5 电机驱动子系统框图 （2）电机驱动子系统电路，如图B-6所示。图B-6 电机驱动子系统电路 3、电源开始 电源由变压部分，滤波电路，稳压电路组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作，这部分电路采用三段稳压管实现。（三）程序设计初始化 1、主程序流程图主程序流程图如图B-7所示。 2、控制子程序流程图系统定时器开控制子程序流程图如图B-8所示。 3、采样子程序流程图采样子程序流程图如图B-9所示。采样定时到?采样

14、 Y 图B-7 主程序流程图采样定时到?控制 Y 采样中断开始控制开始数据初始化控制相关数据初始化采样定时器初始化控制定时到？中断为上升沿触发根据模式选择对应的控制函数记录角度传感器的角度值图B-8 控制子程序流程图 图B-9 采样子程序流程图四、方法与测试数据测试方法：针对设计任务中的每一个要求都进行测试，每个要求都测试10次，取其平均值最为最终数值。 （一）风力摆从静止开始做类似自由摆运动，激光笔在地面画出长度不短于50cm直线段所用的时间测试测量次数/次长度/cm时间/s测量次数/次长度/cm时间/s15010650112501175012350985010450995095501010509（二）风力摆从静止开始完成幅度可控的摆动时画出长度30cm60cm直线段所用的时间测试测量次数/次长度/cm时间/s测量次数/次长度/cm时间/s1305645723367487336685194396954105427106010（三）风力摆从静止开始，按照设置的方向摆动时画出长度不短于20m直线段所用的时间测试测量次数/次长度/cm时间/s测量次数/次长度/cm时间/s1209620112208720103209820942