风力摆控制系统原理图_罗茨风机

风力摆控制系统原理图：基于风力摆控制系统的双闭环PID控制

　　摘要：该文借鉴四轴飞行器的双闭环PID控制算法，解决2020年全国大学生电子设计竞赛B题“风力摆控制系统”。在PID控制器中，运用姿态解算出的欧拉角作为反馈量，角度作为外环，角速度作为内环。再根据X字飞行模式油门输出公式，将双闭环PID控制器的输出融合到电机上，输出油门实现姿态控制。实验结果表明，风力摆控制系统运用双闭环PID控制效果卓越，不仅抗干扰能力强，而且反应迅速。

　　关键词：双闭环PID；姿态解算；X字飞行模式；风力摆

　　中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2020）30-0253-03

　　Double Closed Loops PID Control Based on Wind Swing Control System

　　XU Guan-yu1，2， ZHOU Ye-fan1，2， HUANG Chong-peng1

　　（1.Wuxi Institute of Technology， Wuxi ， China；2. Jiangsu University， Zhenjiang ， China）

　　Abstract： This paper draws on the four axis aircraft double closed loops PID control algorithm to solve the exercise B in 2020 National College Student Electronic Design Contest ―― "wind swing control system". In the PID controller， the Euler angle is calculated by the attitude solution as the feedback， the angle as the outer loop， the angular velocity as the inner loop. Then according to the X word flight mode throttle output formula， the output of the double closed loops PID controller is fused to the motor， the output throttle to achieve attitude control. Experimental results show that the wind swing control system with double closed loops PID control effect of excellence have not only anti-interference ability but also rapid response.

　　Key words： double closed loops PID； attitude calculation； X flight mode； wind pendulum

　　2020年全大学生电子设计竞赛B题是“风力摆控制系统”，题目要求风力摆上的激光笔能画出指定图形。由于风力摆控制系统的传感器、执行器与四轴飞行器十分类似，故借鉴四轴飞行器[1]，将双闭环PID控制算法运用到风力摆控制系统上。

　　1 风力摆控制系统简述

　　1.1 机械机构

　　如图1所示，本系统由支架、万向节、细管、风力摆、单片机五部分构成。系统采用单臂梁结构，悬挂臂固定一个万向节。细管上方相连万向节，细管下方连接风力摆，细管自然状态下垂直向下。单片机放置于支架上。

　　1.2 风力摆结构及选型

　　风力摆由风机组、加速度陀螺仪传感器、激光笔、支架构成。如图2所示，支架上风机组由4个直流风机构成，呈十字型分布，并且螺旋桨产生的风向内吹，形成起摆动力。加速度陀螺仪传感器放置在支架平面上，能很好地检测运动状态，与直流风机呈X字型分布。激光笔安装在支架下方垂直向下。

　　2 PID控制

　　2.1 姿态解算

　　使用欧拉角来表征风力摆在空间中的姿态，可由加速度陀螺仪传感器解算所得。在本系统中，由于风力摆固定在万向节下的细杆上，故不会产生自旋的现象，即不会产生Z轴上的角度，无需考虑偏航角，仅考虑滚转角、俯仰角即可[2]。

　　2.2 双闭环PID控制

　　当风力摆正常运行时，突遇外力干扰（如题述台扇吹风），使加速度传感器采集数据失真，造成姿态解算出来的欧拉角错误。如果只用角度单闭环控制，很难使系统稳定运行，因此可以加入角速度作为内环，角速度由陀螺仪采集，采集值一般不受外界影响，抗干扰能力强，且角速度变化灵敏，当受外界干扰时，回复迅速。风力摆控制系统的双闭环PID控制，欧拉角作为反馈量，角度作为外环，角速度作为内环，外环输出作为内环输入，经积分限幅、输出限幅得到PID输出，并输出到油门，实现姿态控制。其中，油门值即输入电子调速器的PWM波占空比，用于修正风机组各个电机的转速，达到预期的滚转角、俯仰角。

　　由位置式数字PID计算公式[3]，可得姿态PID控制公式：

　　[AngelPIDOut（t）=kpe（t）+kij=0te（j）T+kde（t）-e（t-1）T] （1）

　　[AngelRatePIDOut（t）=kp'e'（t）+ki'j=0te'（j）T+k'de'（t）-e'（t-1）T] （2）

　　式（1）为角度环PID计算公式，式（2）为角速度环PID计算公式。[AngelPIDOut（t）]为角度环PID输出，[AngelRatePIDOut（t）]为角速度环PID输出。[e（t）]=期望角度-实际角度，[e'（t）]=[AngelPIDOut（t）]-实际角速度。姿态PID控制流程如图3。

　　2.3 油门输出计算

　　上述对滚转角、俯仰角的PID计算，实质是用误差计算力矩。接下来，根据直流风机与加速度陀螺仪传感器的摆放关系，推导出油门输出公式，即用力矩控制油门。

　　如图4所示，地理坐标系采用东北天坐标系，X向东，Y向北，Z指天。电机摆放为“X”型，在xOy平面上，第一二三四象限对应的电机为2、1、4、3号，4个电机的风均向内吹。

　　假设电机提供的力矩与油门成正比，如果需要x轴的力矩，则油门值应为：1、2电机正，3、4电机负，记作[1 1 -1 -1]。要增加X轴的力矩，油门需要变化的方向为[dx=]1 1 -1 -1。引入x轴的力矩修正系数：[MOx]，则当需要增加x轴[Δmox]力矩时，油门增量：

　　y轴同理。要增加y轴的力矩，油门需要变化的方向为[dy=-1 1 1-1 ]。

　　力矩修正系数用于平衡各轴的响应灵敏度，x、y轴的力矩由螺旋桨旋转的合力提供，响应灵敏，用PID控制器的输出表示。把x、y轴的油门分量加起来就是任意轴的情况，最后经过X字飞行模式油门输出公式，计算出4个电机输出油门：

　　3 主程序设计

　　如图5所示，系统上电后，首先完成初始化，包括打开串口、初始化加速度陀螺仪传感器。接着等待选择模式，选择对应模式后，更新传感器数据，根据模式内置的参数调用PID控制器，计算四个电机所需的PWM波占空比，完成指定任务，不断循环[4]。

　　4 测试

　　本次测试分别测试单环PID和双环PID的波形，其余条件不变。PID控制更新周期T≈2ms，起始值为滚转角50°、俯仰角0°，设定值为滚转角10°、俯仰角0°。将风力摆采集的滚转角值通^串口线发送到PC机上，记录数据并绘制图形分析波形。上位机显示单环PID与双环PID的滚转角波形如图6所示，波形图横坐标单位为20ms，纵坐标单位为度。由图6可知，双环PID控制的风力摆的滚转角波形经过很少的波震荡后近似归为设定值，系统能很快进入稳定状态；而单环PID则需要较长时间。其他欧拉角测试结果类似。

　　5 结论

　　本文主要研究了基于风力摆控制系统的双闭环PID控制算法。在角度PID闭环控制的基础上，增加了内环角速度环，不仅抗干扰能力强，而且反应迅速，增强了系统的鲁棒性。

　　参考文献：

　　[1] 陆伟男. 基于四轴飞行器的双闭环PID控制[J].科学技术与工程，2020.

　　[2] 张明廉. 飞行控制系统[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.

　　[2] 胡涛松. 自动控制原理[M]. 6版. 北京：科技出版社，2020.

　　[4] 李广弟. 单片机基础[M].北京航空航天出版社，2001.

风力摆控制系统原理图：风力摆pid调节_风力摆控制系统_风力摆系统结构图解

　　风力摆系统是一种利用风力对物体进行位置控制的设备，在我国虽然还没有成品的销售与应用，但这种控制理论已经应用于方方面面。目前的普遍问题风力摆系统的自动控制水平不高。

　　系统由五部分构成，分别是控制器AT89S52，驱动电路L298N，风力摆运动部件，摆角度检测电路、人机交互键盘和LCD显示器。

　　1.1 AT89S52控制器

　　AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在线可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，时钟频率、存储空间和基本接口完全可以满足系统控制要求。

　　1.2 L298N直流风机驱动

　　L298N是一款高输入电压，具有双H桥大电流输出驱动的集成电路，输入信号兼容TTL电平，输入电压最大46V，输出直流电流最大4A，可以驱动直流电机、步进电机或继电器等执行机构。它具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许器件控制两路输入信号，所以使用一片L298N芯片可以驱动两台直流电机。通过输入PWM脉冲，控制加在直流电机上的平均电压，从而达到控制风机转速［1］。

　　1.3 MPU6050三维角度传感器

　　MPU是一款6轴运动检测传感器，包括三轴陀螺仪角速度检测，利用内部16位A/D转换器可以实现检测X、Y、Z轴在±250°、±500°、±1000°与±2000°/s数字量可控输出，三轴加速度检测可以实现±2g，±4g，±8g和±16g范围测量，利用16位A/D转换器输出相应数字量。另外芯片内部集成一个数字运动处理器DMP完成三维运动数据处理或运动姿态识别。

　　将MPU6050固定在风力摆上，通过它监测摆的角度，同时将采集的数据送给控制器进行处理。MPU6050构成的角度监测电路如图2。

　　1.4 LCD液晶显示电路

　　系统采用12864LCD，用于显示角度、幅度等参数，为了节省单片机I/O口资源，LCD选择串行通信方式完成信息传递。

　　1.5 按键电路

　　为了能够对风力摆运动的模式、距离和偏转角度等参数进行设定，同时考虑电路简洁，选择独立式结构的五个键组成按键电路，分别接到单片机的I/O口上。

　　由于风力摆是在运动状态下控制器不断地采集姿态数据并进行判断，然后控制风机对摆的运动轨迹做出修正。这是一种典型的随动系统，由于控制对象的准确数学模型建立较为困难所以采用数字PID控制算法。

　　PID算法

　　PID算法就是对偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的调节算法［3］。数字化的PID算法如（1）。

　　［uk=Kpek+TTIj=0kej+TDTek-ek-1］ （1）

　　其中uk是控制量，e（k）是控制偏差，Kp是比例系数，T是系统采样周期，TI是积分时间，TD是微分时间。

　　由于风力摆的实时性要求较高，要能够迅速对摆的运动做出响应，所以除了比例调节外，必须要有微分调节，由于积分调节过程会增加调节时间，所以算法利用PD调节器进行偏差计算得到控制量。

　　［e=set_angle-cur_angle］

　　其中e是摆的偏差，set_angle是摆的设定角度，cur_angle是采集到当前摆的角度。

　　［u=Kpek+TDTek-ek-1=Kpek+Kd？ek］ （2）

　　其中Kd是微分系数。通过上述算法式计算出控制量u（最后将控制量转变为PWM），利用计算出的PWM控制量控制风机速度，同时反复调整Kp和Kd值使控制系统运动性能符合要求。

　　实验结果表明，通过反复测试和调整PD调节器参数，风机可控制摆做指定长度直线运动、指定角度直线运动和指定半径的圆周运动，在稳定性、准确性和快速性上能够达到设计要求。

　　基于STM32的风力摆系统结构图

　　本系统由微处理器STM32，直流风机及驱动，惯性测量单元MPU6050，OLED显示，4X4矩阵键盘，蜂鸣器构成。系统运行可分为两部分：风力摆的控制部分和预设值输入与显示部分。风力摆控制是由STM32定时器输出频率，占空比可调的PWM波经驱动模块之后，使直流风机的转数与PWM波占空比成线性关系，以此达到控制风力摆摆动的目的。预设值输入与显示是通过矩阵键盘将预设值输入到微处理器。再由处理器将数据送至OLED上显示。MPU6050的三轴加速度数据和三轴角速度数据，经MCU解算之后得到风力摆摆角，形成信号反馈回路。组成闭环控制系统。控制算法为PI调节。

风力摆控制系统原理图：风力摆控制系统

　　系统以AT89S52单片机为控制器,L298N芯片构成电机驱动电路,利用四个直流风机完成对摆运动的控制。通过传感器MPU60

　　(本文共2页)

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　　风力摆控制系统主要应用于工业领域以及航空领域,分析了风力摆...

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　　风力摆作为一种与四轴飞行器较为相似的研究对象,具有不稳定、多变量和非线性的特点,常常应用于高校的教学实验课程设计。对风力摆控制系统及其教学实验平台的研究过程所涉及到的主要核心问题包括硬件结构设计、系统建模、姿态检测与融合以及姿态控制等方面的内容,针对这些问题,本文展开了如下的工作:1、以高校实验教学为出发点,针对风力摆控制系统实验平台的设计要求,从整体上对系统设计过程中需要解决的问题进行了分析,以及对系统的硬件实验平台和软件实验平台分别进行了总体设计。2、分析了风力摆的具体工作原理,在此基础上,从能量的角度建立了风力摆控制系统的拉格朗日动力学模型;对风力摆控制系统的硬件设计部分进行了详细的论述,通过对实现硬件设计的各种技术方案进行了分析与比较,选择了最合适的硬件设计方案并进行了电路设计工作。3、研究了风力摆在运动过程中的姿态表示和姿态检测方法,以及不同的姿态传感器的角度检测特性;将互补滤波算法、自适应互补滤波算法以及卡尔曼滤波算...

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风力摆控制系统原理图：风力摆控制系统的设计思路与方案分析.doc

　　2020年大学生电子设计竞赛

　　风力摆控制系统（B题）

　　【本科组】

　　2020年8月15日

　　摘 要

　　MC9S12XS128作为风力摆控制系统主控，MPU-6050作为风力摆角度传感器。MPU-6050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：

　　目 录

　　摘 要 I

　　1 1

　　1.1 风力摆摆动方案的论证与选择 1

　　1.2 轴流风机选择方案的论证与选择 1

　　1.3 1

　　2系统理论分析与计算 1

　　2.1系统总体的分析 1

　　2.1.2 风力摆按固定方向摆动分析 2

　　2.1.3 风力摆快速保持静止分析 2

　　2.1.4 风力摆部分分析 2

　　2.2 3

　　2.2.1 PWM值计算 3

　　3 4

　　3.1电路的设计 4

　　3.1.1系统总体框图 4

　　3.1.2 电路原理图 4

　　3.1.3 4

　　3.2程序的设计 4

　　3.2.1程序功能描述与设计思路 4

　　3.2.2程序流程图 5

　　4 5

　　4.1测试方案 5

　　4.2 测试条件与仪器 5

　　4.3 测试结果 5

　　4.3.1测试结果(数据) 5

　　1： 7

　　附录2：电路图 8

　　附录3：源程序 9

　　 1系统方案

　　1.1 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。

　　1.2 轴流风机选择方案的论证与选择

　　方案一：DCV，A小型轴流风机。轴流加额定电压，。

　　方案：加扇叶改装。较，速度，。综合以上种方案，选择方案。

　　1.3 方案：用粗单股导线将风力摆吊挂在支架上。风机组由四个轴流风机组成轴流风机间互成。相对于个轴流风机的风力摆风力摆重量，但摆动幅度能达到要求此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以完成题目要求。方案：用碳素纤维杆连接万向节固定在一支架上。风机组由四个轴流风机组成，轴流风机间互成。方案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种方案，选择方案。2系统理论分析与计算

　　2.1系统总体的分析

　　2.1.1 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。

　　2.1.2 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。

　　由(1)式得

　　转化为

　　上式中θx是对X轴的偏角等于Z轴偏角， ωy 是Y轴的角速度等于θx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。

　　2.1.3 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α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α轴划线时，新建x’Oy’坐标系是由xOy旋转α。这是对于x’Oy’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x’Oy’系的转化：

　　x’Oy’坐标系到xOy系的转化：

　　2.1.4 风力摆部分分析

　　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。

　　2.2 控制算法的计算

　　2.2.1 PWM值计算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

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