计算机控制系统 课件 第09章 计算机控制系统设计实例

第9章计算机控制系统设计实例9引言为深化读者运用计算机控制系统设计理论解决实际工程挑战的能力，本章将详尽阐述两个典型应用案例的设计与实施细节：首先针对云台电动机伺服控制系统，深入探讨数字PID控制器与最小拍控制器的设计原理及其具体实现方法；其次针对四旋翼无人机姿态控制系统，详细讲解状态观测器与状态调节器的设计过程及其在系统中的应用实现。通过系统介绍云台电动机伺服控制系统的设计与实施流程，以及深入分析四旋翼无人机姿态控制系统的设计与实现方法，本章旨在将理论知识与工程实践紧密结合，帮助读者全面掌握计算机控制系统在实际应用中的设计思路与关键技术，从而有效提升解决复杂工程问题的综合能力。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现

图9-1MS4005v3云台电动机内部原理图1.MS4005型云台电动机MS4005型云台电动机采用了电驱一体的高度集成化的设计方式及制造工艺，除无刷电动机本体外，其内部集成了协议转换单元、驱动单元、编码器、通信接口，如图9-1所示，基本参数如表9-1所示。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.1.1云台电动机伺服控制系统组成表9-1云台电动机参数9.1.1云台电动机伺服控制系统组成在所构建的云台电动机伺服控制系统中，协议转换单元扮演着至关重要的角色，其主要职能包括解码通信指令、生成控制信号以及采集编码器的反馈信息；驱动单元则负责接收来自控制单元的信号，并将其转换为电动机运行所需的电流和电压，以此来精确调控电动机的转速与旋转方向；编码器装置于电动机或减速器之上，实时提供电动机轴的位置和速度数据,这些信息对于闭环控制策略的实施以及精确位置定位具有决定性意义。另外,MS4005型云台电动机在实现输入输出双向数据交换方面，全面采用了CAN总线通信技术。据此，作为一款纯数字化的被控对象，MS4005型云台电动机的应用大大简化了计算机控制系统的设计过程，提升了设计效率。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.1.1云台电动机伺服控制系统组成2.STM32F429型MCUMCU是云台电动机伺服控制系统的核心，所设计的计算机控制算法由其实时运行。本节所用STM32F429型MCU,性能卓越，接口丰富，如图9-2所示。其最高工作频率可达180MHz，支持浮点运算，集成了2路CAN总线通信接口和4路串行通信接口。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-2STM32F429实物图9.1.1云台电动机伺服控制系统组成3.CAN总线通信模块CAN总线通信模块是CAN通信系统中不可或缺的一部分,将MCU输出的TTL单端电平信号转化为CAN总线差分电平信号，确保了数据能够在CAN总线上可靠、高效地传输。所使用的CAN-TTL模块如图9-3所示。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-3CAN通信模块实物图9.1.1云台电动机伺服控制系统组成4.直流电源直流电源模块为电动机和其他电子组件提供稳定的电源。它通常包括电压转换器和电流限制器，以确保电动机在安全的工作电压和电流下运行。本节采用D-60A型直流电源模块，如图9-4所示。其可稳定提供12V和5V双路电压输出，分别给云台电动机和微处理器供电。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-4D-60A型直流电源模块9.1.1云台电动机伺服控制系统组成5.监控上位机上位机是用户与系统交互的界面，通常运行在PC端或移动设备上，其负责发送控制指令、显示云台电动机的状态信息。本节基于VOFA+软件开发监控上位机软件,如图9-5所示。该上位机系统通过串行通信协议与MCU协同工作，主要实现以下核心功能：9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-5监控上位机界面9.1.1云台电动机伺服控制系统组成1)动态指令下发:向MCU发送阶跃信号触发指令,驱动电动机实时跟踪预设目标角度。2)状态管理:通过重置指令将电动机角度归零、发送停止指令强制中断电动机运转,并支持清除指令以清除界面数据。3)状态监控:持续接收MCU反馈的电动机实时位置与速度数据,通过高刷新率界面动态更新数值及波形图表。4)数据存储:可将采集数据按时间戳封装为CSV格式文件，完整记录电动机运行状态。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.1.2系统连接与信号流转系统连接与信号流转关系如图9-6所示。供电方面：由D-60A型直流电源模块稳定提供12V和5V双路电压输出，分别给云台电动机和微处理器供电。通信方面：MCU与云台电动机之间通过CAN总线通信进行双向数据传输，MCU接收云台电动机实时反馈的角度和角速度等信息，并实时发出控制信号，实现控制闭环；MCU与监控上位机之间通过RS232串行通信进行双向数据传输，MCU接收来自上位机的控制指令（包括电动机启动、停止等指令信号），并实时向监控上位机回传监控数据（包括云台电动机的角度、角速度以及MCU输出的控制信号等信息）。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-6系统连接与信号流转关系

9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现

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9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-7系统临界振荡9.1.3数字PID控制器实现4）按照求得的整定参数，投入系统运行，记录系统输出和控制信号分别如图9-8和图9-9所示。观察控制效果，发现在开始阶段即出现微分失控现象，控制信号瞬间饱和，导致40%的系统超调。因此，需要采用不完全微分PID算法克服微分失控现象。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-8基础PID系统输出图9-9基础PID控制信号9.1.3数字PID控制器实现5）将基本数字PID控制算法式（9-3）替换为不完全微分数字PID算法式（9-4），控制参数不变，投入系统运行，记录系统输出和控制信号分别如图9-10和图9-11所示。观察控制效果，发现微分失控现象已经消除，但是系统振荡严重，控制效果仍不理想，必须根据经验对控制参数进行微调。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-10不完全微分PID系统输出图9-11不完全微分PID控制信号

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9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-16速度响应系统输出图9-17速度响应控制信号9.1.3数字PID控制器实现4.程序实现不完全微分PID控制器的C语言程序示例代码如下：9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.1.3数字PID控制器实现上述程序中，首先需要计算出当前时刻误差值PID.Error和当前时刻经过滤波后的误差值PID.errorf；其次定义出误差的累计值PID.integral和滤波后的误差的差值PID.derivative；然后按照式（9-4）写出控制量的表达式,PID.output_val即是控制量u(k)；最后将这一时刻的经过滤波后的误差值PID.errorf赋给上一时刻PID.ef_last，便于下一时刻的微分值的计算。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现

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9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.1.4最小拍控制器实现记录系统输出和控制信号的实验结果分别如图9-18和图9-19所示。结果表明，3拍后系统输出可跟踪给定阶跃信号，符合最小拍的设计理念。由于模型辨识精度和控制量分辨率等问题，调节时间比理论值多2拍，且系统输出存在稳态误差。另外，由于系统进入稳态后控制信号仍然不断变化，系统输出呈现出明显的纹波现象。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-18最小拍无静差控制系统输出图9-19最小拍无静差控制信号

9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.1.4最小拍控制器实现记录系统输出和控制信号的实验结果分别如图9-20和图9-21所示。结果表明，经过5拍的过渡过程，系统输出可跟踪给定速度信号，符合最小拍的设计理念。由于模型辨识精度和控制量分辨率等问题，调节时间比理论结果多2拍，且系统输出存在稳态误差。另外，由于系统进入稳态后控制信号仍然不断变化，系统输出呈现出明显的纹波现象。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-20最小拍无静差控制系统输出图9-21最小拍无静差控制信号

9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.1.4最小拍控制器实现记录系统输出和控制信号的实验结果分别如图9-22和图9-23所示。结果表明，3拍后系统输出可跟踪阶跃信号，符合最小拍设计理念。由于模型辨识精度和控制量分辨率等问题，调节时间比理论值多1拍，且输出存在稳态误差，但明显消除了纹波现象。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-22最小拍无纹波控制系统输出图9-23最小拍无纹波控制信号

9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.1.4最小拍控制器实现记录系统输出和控制信号的实验结果如图9-24和图9-25所示。结果表明，3拍后系统输出可跟踪给定速度信号，符合最小拍的设计理念。由于模型辨识精度和控制量分辨率等问题，系统输出存在稳态误差，但明显消除了纹波现象。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-24最小拍无纹波控制系统输出图9-25最小拍无纹波控制信号9.1.4最小拍控制器实现需要说明的是，由于模型辨识与实物系统或有差距，而且控制量的分辨率只有8位等因素，实验控制效果与理想的效果有一定差距，特别是未能达到最小拍。鉴于此，给出跟踪速度信号的仿真结果进行辅助说明。图9-26和图9-27分别记录了施加无纹波控制器时系统输出和控制信号的仿真结果。而图9-28和图9-29分别记录了将被控对象的零极点都摄动5%之后得到系统输出和控制信号的仿真结果。结果表明，与实验效果类似，被控对象模型参数摄动，导致系统调节时间的增加，且会产生一定程度的振荡。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现图9-26模型参数无摄动情况的系统输出图9-27模型参数无摄动情况的控制信号图9-28模型参数摄动情况的系统输出图9-29模型参数摄动情况的控制信号9.1.4最小拍控制器实现4.程序实现最小拍控制的C语言程序示例代码如下：9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.1.4最小拍控制器实现上述程序为阶跃输入时最小拍无纹波控制器代码。其中，Error为当前时刻误差值，由系统输入target_val减去当前位置actual_val得到；output_val为系统控制量u(k)，由控制器的后向差分方程得到；e_last1和e_last2分别为前一时刻和前二时刻的误差值；u_last1和u_last2分别为前一时刻和前二时刻的系统控制量。9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现四旋翼无人机作为当前应用极为普遍的航空器，其应用范围涵盖了军事侦察、灾害监测、农业喷洒、物流运输、航拍摄影等多个领域。这些应用场景对四旋翼无人机的飞行性能提出了更高的要求。其中，高性能的姿态控制是实现四旋翼无人机稳定、可靠飞行的关键因素。为了确保四旋翼无人机在各种复杂环境下都能保持优异的飞行性能，设计一款高性能的姿态控制器显得尤为重要。可以说，设计出高效、精确的姿态控制器是实现四旋翼无人机高性能姿态控制的基础和前提。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现

9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现图9-30C型开发板9.2.1四旋翼无人机姿态控制系统组成RoboMasterC型开发板集成了高精度惯性测量单元（InertialMeasurementUnit，IMU），能够实时获取无人机的加速度、角速度和姿态信息，为控制算法提供必要的反馈数据。STM32主控芯片通过处理这些传感器数据，实时计算无人机的姿态误差，并根据控制算法调整电动机转速，修正无人机的飞行姿态，确保飞行稳定性和精度。2.电子调速器电子调速器(ElectronicSpeedController，ESC)如图9-31所示。ESC根据飞控系统的指令,通过调节电流和电压,控制每个电动机的转速，使无人机能够平稳起飞、飞行和降落。它还提供电动机保护功能,如过热和过载保护，确保电动机的安全运行。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现图9-31电子调速器9.2.1四旋翼无人机姿态控制系统组成3.无刷直流电动机无刷直流电动机通常作为四旋翼无人机的执行机构,其通过定子绕组产生旋转磁场,转子上的永磁体与定子磁场相互作用，产生转矩并驱动电动机旋转。与有刷电动机不同，无刷电动机不需要机械电刷，而是通过ESC进行换向。ESC根据转子的实时位置,调整定子绕组的电流顺序,精确控制电动机的转速，从而实现高效稳定的运行。本案例使用T-motor公司F60PROV无刷直流电动机（见图9-32）作为无人机的动力单元。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现图9-32F60PROV无刷电动机9.2.1四旋翼无人机姿态控制系统组成4.螺旋桨在无人机飞行姿态控制系统中，桨叶作为动力执行单元发挥着核心作用。其通过高速旋转产生的升力和转矩，不仅为无人机提供垂直方向推力和水平方向驱动力，更通过不同桨叶间转速的精准差异调节，实现飞行器的姿态控制。这里采用轻量化三叶桨方案，桨叶直径4.9in（1in=0.0254m）,螺距4.3in，在保持3.5g超轻质量的同时,通过三叶结构带来的气动效率提升和优化的螺距配置,配合F60PROV无刷电动机可输出高达1.2kgf（1kgf=9.80665N）的单桨推力。这种设计在确保敏捷机动响应的基础上，有效平衡了负载能力与能耗效率，为飞行器姿态系统的精确控制提供了可靠动力保障。螺旋桨实物如图9-33所示。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现图9-33螺旋桨9.2.1四旋翼无人机姿态控制系统组成5.高倍率航模电池高倍率航模电池在无人机系统中主要提供高功率支持，能够在短时间内提供大电流输出,确保电动机在快速加速或应对突发负载时获得足够的动力。它们具备较高的放电倍率和能量密度，能够提高无人机的飞行响应速度和稳定性；同时，轻巧的质量也有助于减轻无人机的负担，提高飞行效率和载荷能力，是无人机系统中不可或缺的关键部件。本节采用的电池为格氏TattuR-LINE5.0系列6S航模电池，容量为1400mA·h，放电倍率150C,质量230g，实物如图9-34所示。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现图9-34航模电池9.2.1四旋翼无人机姿态控制系统组成6.数据采集/监测上位机本节采用的上位机依旧为VOFA+，通过无线串口与MCU连接，MCU将需要采集或监测的数据通过串口发送到上位机，不仅可以对数据进行可视化显示还可以保存数据到文件，便于后续数据分析。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现9.2.2系统连接与信号流转本实验案例系统连接图如图9-35所示。其中，MCU通过串口与上位机连接，将采集到的角度信息、控制量、电流、电压等重要数据实时回传给上位机，以便进行监控和分析。通过这种方式，用户能够在上位机上观察到无人机的实时状态，采集到的数据可以进行系统辨识，从而得到准确的系统模型，并对其进行控制器的设计。同时，MCU与电子调速器之间通过DSHOT协议进行高效的通信，利用数字化的信号传输，确保指令的精准与快速响应。电子调速器接收到指令后，会根据指令调整电动机的转速，实现对无人机的姿态控制。下面对各部分接线和信号流转做进一步说明：9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现图9-35系统连接图9.2.2系统连接与信号流转1.MCU与上位机的无线串口连接安全起见，本实验采用了无线仿真器和无线串口模块进行通信。MCU的UART_TX引脚连接到无线模块的RX引脚，UART_RX引脚连接到无线模块的TX引脚，GND与无线模块的GND相连，确保信号共地一致；MCU的下载接口SWD分别连接到仿真器的3V3、GND、CLK、DIO。接线图如图9-36所示。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现9.2.2系统连接与信号流转下面对各部分接线和信号流转做进一步说明：1.MCU与上位机的无线串口连接安全起见,本实验采用了无线仿真器和无线串口模块进行通信。MCU的UART_TX引脚连接到无线模块的RX引脚,UART_RX引脚连接到无线模块的TX引脚，GND与无线模块的GND相连，确保信号共地一致；MCU的下载接口SWD分别连接到仿真器的3V3、GND、CLK、DIO。接线图如图9-36所示。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现图9-36MCU无线串口连接9.2.2系统连接与信号流转2.电子调速器与MCU连接MCU需要控制4个电动机，因此需要输出4路DSHOT信号，配置定时器1的4个通道作为DSHOT信号的输出口，依次连接至各个电子调速器的信号输入端。DSHOT是一种数字化的电子调速器控制协议，相较于传统的PWM信号，它采用经过数字编码的信号传输方式，从而有效降低了干扰和信号失真问题。利用数字信号传输，指令的下发变得更加精准迅速，确保电子调速器能够在极短的延时内响应MCU发出的指令，调节电动机转速。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现9.2.2系统连接与信号流转3.无人机螺旋桨安装布局在本实验中，四旋翼无人机采用了典型的X形布局，并基于北东地坐标系设计，其中机头指向x轴正方向，左前方为1号电动机，其余依顺时针方向依次为2、3、4号电动机，每个电动机均配有对应的螺旋桨，并且对角电动机旋转方向相同，以平衡因转矩产生的偏转力，如图9-37所示。9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现图9-37X型布局

9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现

9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现

图9-40系统输出图9-41控制信号9.2.3基于状态观测的状态反馈飞行控制系统设计状态观测的C语言程序示例代码如下。该函数实现了一个二阶离散时间的状态观测器,x_hat和x_hat_next分别是当前和下一时刻的状态估计，y是系统实际输出，u是控制输入，F、G和C分别表示系统状态转矩阵、输入增益