風力擺控制系統原理圖：基于風力擺控制系統的雙閉環PID控制

　　摘要：該文借鑒四軸飛行器的雙閉環PID控制算法，解決2020年全國大學生電子設計競賽B題“風力擺控制系統”。在PID控制器中，運用姿態解算出的歐拉角作為反饋量，角度作為外環，角速度作為內環。再根據X字飛行模式油門輸出公式，將雙閉環PID控制器的輸出融合到電機上，輸出油門實現姿態控制。實驗結果表明，風力擺控制系統運用雙閉環PID控制效果卓越，不僅抗干擾能力強，而且反應迅速。

　　關鍵詞：雙閉環PID；姿態解算；X字飛行模式；風力擺

　　中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：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年全大學生電子設計競賽B題是“風力擺控制系統”，題目要求風力擺上的激光筆能畫出指定圖形。由于風力擺控制系統的傳感器、執行器與四軸飛行器十分類似，故借鑒四軸飛行器[1]，將雙閉環PID控制算法運用到風力擺控制系統上。

　　1 風力擺控制系統簡述

　　1.1 機械機構

　　如圖1所示，本系統由支架、萬向節、細管、風力擺、單片機五部分構成。系統采用單臂梁結構，懸掛臂固定一個萬向節。細管上方相連萬向節，細管下方連接風力擺，細管自然狀態下垂直向下。單片機放置于支架上。

　　1.2 風力擺結構及選型

　　風力擺由風機組、加速度陀螺儀傳感器、激光筆、支架構成。如圖2所示，支架上風機組由4個直流風機構成，呈十字型分布，并且螺旋槳產生的風向內吹，形成起擺動力。加速度陀螺儀傳感器放置在支架平面上，能很好地檢測運動狀態，與直流風機呈X字型分布。激光筆安裝在支架下方垂直向下。

　　2 PID控制

　　2.1 姿態解算

　　使用歐拉角來表征風力擺在空間中的姿態，可由加速度陀螺儀傳感器解算所得。在本系統中，由于風力擺固定在萬向節下的細桿上，故不會產生自旋的現象，即不會產生Z軸上的角度，無需考慮偏航角，僅考慮滾轉角、俯仰角即可[2]。

　　2.2 雙閉環PID控制

　　當風力擺正常運行時，突遇外力干擾（如題述臺扇吹風），使加速度傳感器采集數據失真，造成姿態解算出來的歐拉角錯誤。如果只用角度單閉環控制，很難使系統穩定運行，因此可以加入角速度作為內環，角速度由陀螺儀采集，采集值一般不受外界影響，抗干擾能力強，且角速度變化靈敏，當受外界干擾時，回復迅速。風力擺控制系統的雙閉環PID控制，歐拉角作為反饋量，角度作為外環，角速度作為內環，外環輸出作為內環輸入，經積分限幅、輸出限幅得到PID輸出，并輸出到油門，實現姿態控制。其中，油門值即輸入電子調速器的PWM波占空比，用于修正風機組各個電機的轉速，達到預期的滾轉角、俯仰角。

　　由位置式數字PID計算公式[3]，可得姿態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）為角度環PID計算公式，式（2）為角速度環PID計算公式。[AngelPIDOut（t）]為角度環PID輸出，[AngelRatePIDOut（t）]為角速度環PID輸出。[e（t）]=期望角度-實際角度，[e'（t）]=[AngelPIDOut（t）]-實際角速度。姿態PID控制流程如圖3。

　　2.3 油門輸出計算

　　上述對滾轉角、俯仰角的PID計算，實質是用誤差計算力矩。接下來，根據直流風機與加速度陀螺儀傳感器的擺放關系，推導出油門輸出公式，即用力矩控制油門。

　　如圖4所示，地理坐標系采用東北天坐標系，X向東，Y向北，Z指天。電機擺放為“X”型，在xOy平面上，第一二三四象限對應的電機為2、1、4、3號，4個電機的風均向內吹。

　　假設電機提供的力矩與油門成正比，如果需要x軸的力矩，則油門值應為：1、2電機正，3、4電機負，記作[1 1 -1 -1]。要增加X軸的力矩，油門需要變化的方向為[dx=]1 1 -1 -1。引入x軸的力矩修正系數：[MOx]，則當需要增加x軸[Δmox]力矩時，油門增量：

　　y軸同理。要增加y軸的力矩，油門需要變化的方向為[dy=-1 1 1-1 ]。

　　力矩修正系數用于平衡各軸的響應靈敏度，x、y軸的力矩由螺旋槳旋轉的合力提供，響應靈敏，用PID控制器的輸出表示。把x、y軸的油門分量加起來就是任意軸的情況，最后經過X字飛行模式油門輸出公式，計算出4個電機輸出油門：

　　3 主程序設計

　　如圖5所示，系統上電后，首先完成初始化，包括打開串口、初始化加速度陀螺儀傳感器。接著等待選擇模式，選擇對應模式后，更新傳感器數據，根據模式內置的參數調用PID控制器，計算四個電機所需的PWM波占空比，完成指定任務，不斷循環[4]。

　　4 測試

　　本次測試分別測試單環PID和雙環PID的波形，其余條件不變。PID控制更新周期T≈2ms，起始值為滾轉角50°、俯仰角0°，設定值為滾轉角10°、俯仰角0°。將風力擺采集的滾轉角值通^串口線發送到PC機上，記錄數據并繪制圖形分析波形。上位機顯示單環PID與雙環PID的滾轉角波形如圖6所示，波形圖橫坐標單位為20ms，縱坐標單位為度。由圖6可知，雙環PID控制的風力擺的滾轉角波形經過很少的波震蕩后近似歸為設定值，系統能很快進入穩定狀態；而單環PID則需要較長時間。其他歐拉角測試結果類似。

　　5 結論

　　本文主要研究了基于風力擺控制系統的雙閉環PID控制算法。在角度PID閉環控制的基礎上，增加了內環角速度環，不僅抗干擾能力強，而且反應迅速，增強了系統的魯棒性。

　　參考文獻：

　　[1] 陸偉男. 基于四軸飛行器的雙閉環PID控制[J].科學技術與工程，2020.

　　[2] 張明廉. 飛行控制系統[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.

　　[2] 胡濤松. 自動控制原理[M]. 6版. 北京：科技出版社，2020.

　　[4] 李廣弟. 單片機基礎[M].北京航空航天出版社，2001.

風力擺控制系統原理圖：風力擺pid調節_風力擺控制系統_風力擺系統結構圖解

　　風力擺系統是一種利用風力對物體進行位置控制的設備，在我國雖然還沒有成品的銷售與應用，但這種控制理論已經應用于方方面面。目前的普遍問題風力擺系統的自動控制水平不高。

　　系統由五部分構成，分別是控制器AT89S52，驅動電路L298N，風力擺運動部件，擺角度檢測電路、人機交互鍵盤和LCD顯示器。

　　1.1 AT89S52控制器

　　AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在線可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器，時鐘頻率、存儲空間和基本接口完全可以滿足系統控制要求。

　　1.2 L298N直流風機驅動

　　L298N是一款高輸入電壓，具有雙H橋大電流輸出驅動的集成電路，輸入信號兼容TTL電平，輸入電壓最大46V，輸出直流電流最大4A，可以驅動直流電機、步進電機或繼電器等執行機構。它具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許器件控制兩路輸入信號，所以使用一片L298N芯片可以驅動兩臺直流電機。通過輸入PWM脈沖，控制加在直流電機上的平均電壓，從而達到控制風機轉速［1］。

　　1.3 MPU6050三維角度傳感器

　　MPU是一款6軸運動檢測傳感器，包括三軸陀螺儀角速度檢測，利用內部16位A/D轉換器可以實現檢測X、Y、Z軸在±250°、±500°、±1000°與±2000°/s數字量可控輸出，三軸加速度檢測可以實現±2g，±4g，±8g和±16g范圍測量，利用16位A/D轉換器輸出相應數字量。另外芯片內部集成一個數字運動處理器DMP完成三維運動數據處理或運動姿態識別。

　　將MPU6050固定在風力擺上，通過它監測擺的角度，同時將采集的數據送給控制器進行處理。MPU6050構成的角度監測電路如圖2。

　　1.4 LCD液晶顯示電路

　　系統采用12864LCD，用于顯示角度、幅度等參數，為了節省單片機I/O口資源，LCD選擇串行通信方式完成信息傳遞。

　　1.5 按鍵電路

　　為了能夠對風力擺運動的模式、距離和偏轉角度等參數進行設定，同時考慮電路簡潔，選擇獨立式結構的五個鍵組成按鍵電路，分別接到單片機的I/O口上。

　　由于風力擺是在運動狀態下控制器不斷地采集姿態數據并進行判斷，然后控制風機對擺的運動軌跡做出修正。這是一種典型的隨動系統，由于控制對象的準確數學模型建立較為困難所以采用數字PID控制算法。

　　PID算法

　　PID算法就是對偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的調節算法［3］。數字化的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是比例系數，T是系統采樣周期，TI是積分時間，TD是微分時間。

　　由于風力擺的實時性要求較高，要能夠迅速對擺的運動做出響應，所以除了比例調節外，必須要有微分調節，由于積分調節過程會增加調節時間，所以算法利用PD調節器進行偏差計算得到控制量。

　　［e=set_angle-cur_angle］

　　其中e是擺的偏差，set_angle是擺的設定角度，cur_angle是采集到當前擺的角度。

　　［u=Kpek+TDTek-ek-1=Kpek+Kd？ek］ （2）

　　其中Kd是微分系數。通過上述算法式計算出控制量u（最后將控制量轉變為PWM），利用計算出的PWM控制量控制風機速度，同時反復調整Kp和Kd值使控制系統運動性能符合要求。

　　實驗結果表明，通過反復測試和調整PD調節器參數，風機可控制擺做指定長度直線運動、指定角度直線運動和指定半徑的圓周運動，在穩定性、準確性和快速性上能夠達到設計要求。

　　基于STM32的風力擺系統結構圖

　　本系統由微處理器STM32，直流風機及驅動，慣性測量單元MPU6050，OLED顯示，4X4矩陣鍵盤，蜂鳴器構成。系統運行可分為兩部分：風力擺的控制部分和預設值輸入與顯示部分。風力擺控制是由STM32定時器輸出頻率，占空比可調的PWM波經驅動模塊之后，使直流風機的轉數與PWM波占空比成線性關系，以此達到控制風力擺擺動的目的。預設值輸入與顯示是通過矩陣鍵盤將預設值輸入到微處理器。再由處理器將數據送至OLED上顯示。MPU6050的三軸加速度數據和三軸角速度數據，經MCU解算之后得到風力擺擺角，形成信號反饋回路。組成閉環控制系統。控制算法為PI調節。

風力擺控制系統原理圖：風力擺控制系統

　　系統以AT89S52單片機為控制器,L298N芯片構成電機驅動電路,利用四個直流風機完成對擺運動的控制。通過傳感器MPU60

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　　風力擺控制系統主要應用于工業領域以及航空領域,分析了風力擺...

　　(本文共2頁)

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　　風力擺作為一種與四軸飛行器較為相似的研究對象,具有不穩定、多變量和非線性的特點,常常應用于高校的教學實驗課程設計。對風力擺控制系統及其教學實驗平臺的研究過程所涉及到的主要核心問題包括硬件結構設計、系統建模、姿態檢測與融合以及姿態控制等方面的內容,針對這些問題,本文展開了如下的工作:1、以高校實驗教學為出發點,針對風力擺控制系統實驗平臺的設計要求,從整體上對系統設計過程中需要解決的問題進行了分析,以及對系統的硬件實驗平臺和軟件實驗平臺分別進行了總體設計。2、分析了風力擺的具體工作原理,在此基礎上,從能量的角度建立了風力擺控制系統的拉格朗日動力學模型;對風力擺控制系統的硬件設計部分進行了詳細的論述,通過對實現硬件設計的各種技術方案進行了分析與比較,選擇了最合適的硬件設計方案并進行了電路設計工作。3、研究了風力擺在運動過程中的姿態表示和姿態檢測方法,以及不同的姿態傳感器的角度檢測特性;將互補濾波算法、自適應互補濾波算法以及卡爾曼濾波算...

　　(本文共83頁)

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　　隨著智能控制技術的發展,將神經網絡技術與傳統PID控制技術相結合,并應用到控制系統中去已成為一種趨勢。在對風力擺控制系統進行需求分析的基礎上,針對其具有非線性和參數不確定等特點,...

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風力擺控制系統原理圖：風力擺控制系統的設計思路與方案分析.doc

　　2020年大學生電子設計競賽

　　風力擺控制系統（B題）

　　【本科組】

　　2020年8月15日

　　摘 要

　　MC9S12XS128作為風力擺控制系統主控，MPU-6050作為風力擺角度傳感器。MPU-6050返回的信號經由IIC總線發送到MPU進行處理，通過PID算法、數據融合、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：

　　目 錄

　　摘 要 I

　　1 1

　　1.1 風力擺擺動方案的論證與選擇 1

　　1.2 軸流風機選擇方案的論證與選擇 1

　　1.3 1

　　2系統理論分析與計算 1

　　2.1系統總體的分析 1

　　2.1.2 風力擺按固定方向擺動分析 2

　　2.1.3 風力擺快速保持靜止分析 2

　　2.1.4 風力擺部分分析 2

　　2.2 3

　　2.2.1 PWM值計算 3

　　3 4

　　3.1電路的設計 4

　　3.1.1系統總體框圖 4

　　3.1.2 電路原理圖 4

　　3.1.3 4

　　3.2程序的設計 4

　　3.2.1程序功能描述與設計思路 4

　　3.2.2程序流程圖 5

　　4 5

　　4.1測試方案 5

　　4.2 測試條件與儀器 5

　　4.3 測試結果 5

　　4.3.1測試結果(數據) 5

　　1： 7

　　附錄2：電路圖 8

　　附錄3：源程序 9

　　 1系統方案

　　1.1 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。

　　1.2 軸流風機選擇方案的論證與選擇

　　方案一：DCV，A小型軸流風機。軸流加額定電壓，。

　　方案：加扇葉改裝。較，速度，。綜合以上種方案，選擇方案。

　　1.3 方案：用粗單股導線將風力擺吊掛在支架上。風機組由四個軸流風機組成軸流風機間互成。相對于個軸流風機的風力擺風力擺重量，但擺動幅度能達到要求此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以完成題目要求。方案：用碳素纖維桿連接萬向節固定在一支架上。風機組由四個軸流風機組成，軸流風機間互成。方案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種方案，選擇方案。2系統理論分析與計算

　　2.1系統總體的分析

　　2.1.1 風力擺畫直線段的受力分析

　　通過調節風機產生的力的大小，來調節風力擺所受合力大小，即風力擺的回復力大小。

　　2.1.2 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軸上的穩定直線擺動時，他的穩態數學模型是單擺運動。考慮到風力擺從靜止達到穩定的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機械能和補償系統阻尼損失的能量來控制系統。

　　由(1)式得

　　轉化為

　　上式中θx是對X軸的偏角等于Z軸偏角， ωy 是Y軸的角速度等于θx的微分，m,g,L為固定的數字，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控制可以實現風力擺的穩定沿著X軸畫直線。

　　2.1.3 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α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α軸劃線時，新建x’Oy’坐標系是由xOy旋轉α。這是對于x’Oy’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任意角度的單擺畫出直線。

　　xOy坐標系到x’Oy’系的轉化：

　　x’Oy’坐標系到xOy系的轉化：

　　2.1.4 風力擺部分分析

　　Z軸偏角有一一對應的關系。控制思路是計算擺的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。

　　2.2 控制算法的計算

　　2.2.1 PWM值計算PID是一個閉環控制算法因此要實現PID算法，必須在硬件上具有閉環控制，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。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

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