風(fēng)力擺控制系統(tǒng)原理圖：基于風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)PID控制

　　摘要：該文借鑒四軸飛行器的雙閉環(huán)PID控制算法，解決2020年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽B題“風(fēng)力擺控制系統(tǒng)”。在PID控制器中，運(yùn)用姿態(tài)解算出的歐拉角作為反饋量，角度作為外環(huán)，角速度作為內(nèi)環(huán)。再根據(jù)X字飛行模式油門輸出公式，將雙閉環(huán)PID控制器的輸出融合到電機(jī)上，輸出油門實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)力擺控制系統(tǒng)運(yùn)用雙閉環(huán)PID控制效果卓越，不僅抗干擾能力強(qiáng)，而且反應(yīng)迅速。

　　關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)PID；姿態(tài)解算；X字飛行模式；風(fēng)力擺

　　中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

　?。?.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(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽B題是“風(fēng)力擺控制系統(tǒng)”，題目要求風(fēng)力擺上的激光筆能畫出指定圖形。由于風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)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(huán)PID控制算法運(yùn)用到風(fēng)力擺控制系統(tǒng)上。

　　1 風(fēng)力擺控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

　　1.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)

　　如圖1所示，本系統(tǒng)由支架、萬(wàn)向節(jié)、細(xì)管、風(fēng)力擺、單片機(jī)五部分構(gòu)成。系統(tǒng)采用單臂梁結(jié)構(gòu)，懸掛臂固定一個(gè)萬(wàn)向節(jié)。細(xì)管上方相連萬(wàn)向節(jié)，細(xì)管下方連接風(fēng)力擺，細(xì)管自然狀態(tài)下垂直向下。單片機(jī)放置于支架上。

　　1.2 風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)及選型

　　風(fēng)力擺由風(fēng)機(jī)組、加速度陀螺儀傳感器、激光筆、支架構(gòu)成。如圖2所示，支架上風(fēng)機(jī)組由4個(gè)直流風(fēng)機(jī)構(gòu)成，呈十字型分布，并且螺旋槳產(chǎn)生的風(fēng)向內(nèi)吹，形成起擺動(dòng)力。加速度陀螺儀傳感器放置在支架平面上，能很好地檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與直流風(fēng)機(jī)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(tài)解算

　　使用歐拉角來(lái)表征風(fēng)力擺在空間中的姿態(tài)，可由加速度陀螺儀傳感器解算所得。在本系統(tǒng)中，由于風(fēng)力擺固定在萬(wàn)向節(jié)下的細(xì)桿上，故不會(huì)產(chǎn)生自旋的現(xiàn)象，即不會(huì)產(chǎn)生Z軸上的角度，無(wú)需考慮偏航角，僅考慮滾轉(zhuǎn)角、俯仰角即可[2]。

　　2.2 雙閉環(huán)PID控制

　　當(dāng)風(fēng)力擺正常運(yùn)行時(shí)，突遇外力干擾（如題述臺(tái)扇吹風(fēng)），使加速度傳感器采集數(shù)據(jù)失真，造成姿態(tài)解算出來(lái)的歐拉角錯(cuò)誤。如果只用角度單閉環(huán)控制，很難使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此可以加入角速度作為內(nèi)環(huán)，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(qiáng)，且角速度變化靈敏，當(dāng)受外界干擾時(shí)，回復(fù)迅速。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)PID控制，歐拉角作為反饋量，角度作為外環(huán)，角速度作為內(nèi)環(huán)，外環(huán)輸出作為內(nèi)環(huán)輸入，經(jīng)積分限幅、輸出限幅得到PID輸出，并輸出到油門，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。其中，油門值即輸入電子調(diào)速器的PWM波占空比，用于修正風(fēng)機(jī)組各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到預(yù)期的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角。

　　由位置式數(shù)字PID計(jì)算公式[3]，可得姿態(tài)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(huán)PID計(jì)算公式，式（2）為角速度環(huán)PID計(jì)算公式。[AngelPIDOut（t）]為角度環(huán)PID輸出，[AngelRatePIDOut（t）]為角速度環(huán)PID輸出。[e（t）]=期望角度-實(shí)際角度，[e'（t）]=[AngelPIDOut（t）]-實(shí)際角速度。姿態(tài)PID控制流程如圖3。

　　2.3 油門輸出計(jì)算

　　上述對(duì)滾轉(zhuǎn)角、俯仰角的PID計(jì)算，實(shí)質(zhì)是用誤差計(jì)算力矩。接下來(lái)，根據(jù)直流風(fēng)機(jī)與加速度陀螺儀傳感器的擺放關(guān)系，推導(dǎo)出油門輸出公式，即用力矩控制油門。

　　如圖4所示，地理坐標(biāo)系采用東北天坐標(biāo)系，X向東，Y向北，Z指天。電機(jī)擺放為“X”型，在xOy平面上，第一二三四象限對(duì)應(yīng)的電機(jī)為2、1、4、3號(hào)，4個(gè)電機(jī)的風(fēng)均向內(nèi)吹。

　　假設(shè)電機(jī)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(yīng)為：1、2電機(jī)正，3、4電機(jī)負(fù)，記作[1 1 -1 -1]。要增加X軸的力矩，油門需要變化的方向?yàn)閇dx=]1 1 -1 -1。引入x軸的力矩修正系數(shù)：[MOx]，則當(dāng)需要增加x軸[Δmox]力矩時(shí)，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?yàn)閇dy=-1 1 1-1 ]。

　　力矩修正系數(shù)用于平衡各軸的響應(yīng)靈敏度，x、y軸的力矩由螺旋槳旋轉(zhuǎn)的合力提供，響應(yīng)靈敏，用PID控制器的輸出表示。把x、y軸的油門分量加起來(lái)就是任意軸的情況，最后經(jīng)過X字飛行模式油門輸出公式，計(jì)算出4個(gè)電機(jī)輸出油門：

　　3 主程序設(shè)計(jì)

　　如圖5所示，系統(tǒng)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(duì)應(yīng)模式后，更新傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)模式內(nèi)置的參數(shù)調(diào)用PID控制器，計(jì)算四個(gè)電機(jī)所需的PWM波占空比，完成指定任務(wù)，不斷循環(huán)[4]。

　　4 測(cè)試

　　本次測(cè)試分別測(cè)試單環(huán)PID和雙環(huán)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(zhuǎn)角50°、俯仰角0°，設(shè)定值為滾轉(zhuǎn)角10°、俯仰角0°。將風(fēng)力擺采集的滾轉(zhuǎn)角值通^串口線發(fā)送到PC機(jī)上，記錄數(shù)據(jù)并繪制圖形分析波形。上位機(jī)顯示單環(huán)PID與雙環(huán)PID的滾轉(zhuǎn)角波形如圖6所示，波形圖橫坐標(biāo)單位為20ms，縱坐標(biāo)單位為度。由圖6可知，雙環(huán)PID控制的風(fēng)力擺的滾轉(zhuǎn)角波形經(jīng)過很少的波震蕩后近似歸為設(shè)定值，系統(tǒng)能很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；而單環(huán)PID則需要較長(zhǎng)時(shí)間。其他歐拉角測(cè)試結(jié)果類似。

　　5 結(jié)論

　　本文主要研究了基于風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)PID控制算法。在角度PID閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)環(huán)角速度環(huán)，不僅抗干擾能力強(qiáng)，而且反應(yīng)迅速，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 陸偉男. 基于四軸飛行器的雙閉環(huán)PID控制[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020.

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

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

　　[4] 李廣弟. 單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京航空航天出版社，2001.

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)原理圖：風(fēng)力擺pid調(diào)節(jié)_風(fēng)力擺控制系統(tǒng)_風(fēng)力擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖解

　　風(fēng)力擺系統(tǒng)是一種利用風(fēng)力對(duì)物體進(jìn)行位置控制的設(shè)備，在我國(guó)雖然還沒有成品的銷售與應(yīng)用，但這種控制理論已經(jīng)應(yīng)用于方方面面。目前的普遍問題風(fēng)力擺系統(tǒng)的自動(dòng)控制水平不高。

　　系統(tǒng)由五部分構(gòu)成，分別是控制器AT89S52，驅(qū)動(dòng)電路L298N，風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)部件，擺角度檢測(cè)電路、人機(jī)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(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器，時(shí)鐘頻率、存儲(chǔ)空間和基本接口完全可以滿足系統(tǒng)控制要求。

　　1.2 L298N直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

　　L298N是一款高輸入電壓，具有雙H橋大電流輸出驅(qū)動(dòng)的集成電路，輸入信號(hào)兼容TTL電平，輸入電壓最大46V，輸出直流電流最大4A，可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或繼電器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許器件控制兩路輸入信號(hào)，所以使用一片L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。通過輸入PWM脈沖，控制加在直流電機(jī)上的平均電壓，從而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速［1］。

　　1.3 MPU6050三維角度傳感器

　　MPU是一款6軸運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器，包括三軸陀螺儀角速度檢測(cè)，利用內(nèi)部16位A/D轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)X、Y、Z軸在±250°、±500°、±1000°與±2000°/s數(shù)字量可控輸出，三軸加速度檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)±2g，±4g，±8g和±16g范圍測(cè)量，利用16位A/D轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)數(shù)字量。另外芯片內(nèi)部集成一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP完成三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理或運(yùn)動(dòng)姿態(tài)識(shí)別。

　　將MPU6050固定在風(fēng)力擺上，通過它監(jiān)測(cè)擺的角度，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)送給控制器進(jìn)行處理。MPU6050構(gòu)成的角度監(jiān)測(cè)電路如圖2。

　　1.4 LCD液晶顯示電路

　　系統(tǒng)采用12864LCD，用于顯示角度、幅度等參數(shù)，為了節(jié)省單片機(jī)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?qū)︼L(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)的模式、距離和偏轉(zhuǎn)角度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)考慮電路簡(jiǎn)潔，選擇獨(dú)立式結(jié)構(gòu)的五個(gè)鍵組成按鍵電路，分別接到單片機(jī)的I/O口上。

　　由于風(fēng)力擺是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下控制器不斷地采集姿態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，然后控制風(fēng)機(jī)對(duì)擺的運(yùn)動(dòng)軌跡做出修正。這是一種典型的隨動(dòng)系統(tǒng)，由于控制對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型建立較為困難所以采用數(shù)字PID控制算法。

　　PID算法

　　PID算法就是對(duì)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)算法［3］。數(shù)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(shù)，T是系統(tǒng)采樣周期，TI是積分時(shí)間，TD是微分時(shí)間。

　　由于風(fēng)力擺的實(shí)時(shí)性要求較高，要能夠迅速對(duì)擺的運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng)，所以除了比例調(diào)節(jié)外，必須要有微分調(diào)節(jié)，由于積分調(diào)節(jié)過程會(huì)增加調(diào)節(jié)時(shí)間，所以算法利用PD調(diào)節(jié)器進(jìn)行偏差計(jì)算得到控制量。

　?。踖=set_angle-cur_angle］

　　其中e是擺的偏差，set_angle是擺的設(shè)定角度，cur_angle是采集到當(dāng)前擺的角度。

　　［u=Kpek+TDTek-ek-1=Kpek+Kd？ek］ （2）

　　其中Kd是微分系數(shù)。通過上述算法式計(jì)算出控制量u（最后將控制量轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM），利用計(jì)算出的PWM控制量控制風(fēng)機(jī)速度，同時(shí)反復(fù)調(diào)整Kp和Kd值使控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能符合要求。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過反復(fù)測(cè)試和調(diào)整PD調(diào)節(jié)器參數(shù)，風(fēng)機(jī)可控制擺做指定長(zhǎng)度直線運(yùn)動(dòng)、指定角度直線運(yùn)動(dòng)和指定半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性上能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　基于STM32的風(fēng)力擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　本系統(tǒng)由微處理器STM32，直流風(fēng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)，慣性測(cè)量單元MPU6050，OLED顯示，4X4矩陣鍵盤，蜂鳴器構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行可分為兩部分：風(fēng)力擺的控制部分和預(yù)設(shè)值輸入與顯示部分。風(fēng)力擺控制是由STM32定時(shí)器輸出頻率，占空比可調(diào)的PWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊之后，使直流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)與PWM波占空比成線性關(guān)系，以此達(dá)到控制風(fēng)力擺擺動(dòng)的目的。預(yù)設(shè)值輸入與顯示是通過矩陣鍵盤將預(yù)設(shè)值輸入到微處理器。再由處理器將數(shù)據(jù)送至OLED上顯示。MPU6050的三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU解算之后得到風(fēng)力擺擺角，形成信號(hào)反饋回路。組成閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂扑惴镻I調(diào)節(jié)。

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)原理圖：風(fēng)力擺控制系統(tǒng)

　　系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制器,L298N芯片構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,利用四個(gè)直流風(fēng)機(jī)完成對(duì)擺運(yùn)動(dòng)的控制。通過傳感器MPU60

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　　風(fēng)力擺控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域以及航空領(lǐng)域,分析了風(fēng)力擺...

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　　風(fēng)力擺作為一種與四軸飛行器較為相似的研究對(duì)象,具有不穩(wěn)定、多變量和非線性的特點(diǎn),常常應(yīng)用于高校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)。對(duì)風(fēng)力擺控制系統(tǒng)及其教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究過程所涉及到的主要核心問題包括硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模、姿態(tài)檢測(cè)與融合以及姿態(tài)控制等方面的內(nèi)容,針對(duì)這些問題,本文展開了如下的工作:1、以高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)為出發(fā)點(diǎn),針對(duì)風(fēng)力擺控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求,從整體上對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要解決的問題進(jìn)行了分析,以及對(duì)系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。2、分析了風(fēng)力擺的具體工作原理,在此基礎(chǔ)上,從能量的角度建立了風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型;對(duì)風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行了詳細(xì)的論述,通過對(duì)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)的各種技術(shù)方案進(jìn)行了分析與比較,選擇了最合適的硬件設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)工作。3、研究了風(fēng)力擺在運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)表示和姿態(tài)檢測(cè)方法,以及不同的姿態(tài)傳感器的角度檢測(cè)特性;將互補(bǔ)濾波算法、自適應(yīng)互補(bǔ)濾波算法以及卡爾曼濾波算...

　　(本文共83頁(yè))

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　　隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)PID控制技術(shù)相結(jié)合,并應(yīng)用到控制系統(tǒng)中去已成為一種趨勢(shì)。在對(duì)風(fēng)力擺控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)其具有非線性和參數(shù)不確定等特點(diǎn),...

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　　該文借鑒四軸飛行器的雙閉環(huán)PID控制算法,解決2020年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽B題"風(fēng)力擺控制系統(tǒng)"。在PID控制器中,運(yùn)用姿態(tài)解算出的歐拉角作為...

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　　風(fēng)力擺控制系統(tǒng)以飛思卡爾32位單片機(jī)K60為核心模塊,與直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,以及攝像頭定位模塊等構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由單片機(jī)發(fā)出指令,按照攝像頭提取的路徑信息來(lái)...

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風(fēng)力擺控制系統(tǒng)原理圖：風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與方案分析.doc

　　2020年大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽

　　風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）

　　【本科組】

　　2020年8月15日

　　摘 要

　　MC9S12XS128作為風(fēng)力擺控制系統(tǒng)主控，MPU-6050作為風(fēng)力擺角度傳感器。MPU-6050返回的信號(hào)經(jīng)由IIC總線發(fā)送到MPU進(jìn)行處理，通過PID算法、數(shù)據(jù)融合、互補(bǔ)濾波等算法進(jìn)行角度的精準(zhǔn)控制。角度返回值由算法整合處理后，以PWM信號(hào)輸出，通過BTS7971驅(qū)動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)，進(jìn)而控制軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)速控制風(fēng)力擺的擺動(dòng)。

　　關(guān)鍵詞：

　　目 錄

　　摘 要 I

　　1 1

　　1.1 風(fēng)力擺擺動(dòng)方案的論證與選擇 1

　　1.2 軸流風(fēng)機(jī)選擇方案的論證與選擇 1

　　1.3 1

　　2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 1

　　2.1系統(tǒng)總體的分析 1

　　2.1.2 風(fēng)力擺按固定方向擺動(dòng)分析 2

　　2.1.3 風(fēng)力擺快速保持靜止分析 2

　　2.1.4 風(fēng)力擺部分分析 2

　　2.2 3

　　2.2.1 PWM值計(jì)算 3

　　3 4

　　3.1電路的設(shè)計(jì) 4

　　3.1.1系統(tǒng)總體框圖 4

　　3.1.2 電路原理圖 4

　　3.1.3 4

　　3.2程序的設(shè)計(jì) 4

　　3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 4

　　3.2.2程序流程圖 5

　　4 5

　　4.1測(cè)試方案 5

　　4.2 測(cè)試條件與儀器 5

　　4.3 測(cè)試結(jié)果 5

　　4.3.1測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 5

　　1： 7

　　附錄2：電路圖 8

　　附錄3：源程序 9

　　 1系統(tǒng)方案

　　1.1 風(fēng)力擺擺動(dòng)方案的論證與選擇

　　方案一：選取大功率軸流風(fēng)機(jī)，可在短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)到平面內(nèi)任意一點(diǎn)，但是風(fēng)力太大導(dǎo)致擺動(dòng)過大，不好控制。

　　方案二：選取小功率軸流風(fēng)機(jī)，可以在短時(shí)間內(nèi)吹到一定的角度，風(fēng)力適中，擺動(dòng)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(fēng)機(jī)選擇方案的論證與選擇

　　方案一：DCV，A小型軸流風(fēng)機(jī)。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(dǎo)線將風(fēng)力擺吊掛在支架上。風(fēng)機(jī)組由四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)組成軸流風(fēng)機(jī)間互成。相對(duì)于個(gè)軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)力擺風(fēng)力擺重量，但擺動(dòng)幅度能達(dá)到要求此缺點(diǎn)在于在控制過程中，軸流風(fēng)機(jī)組會(huì)旋轉(zhuǎn)，總而對(duì)控制產(chǎn)生干擾以完成題目要求。方案：用碳素纖維桿連接萬(wàn)向節(jié)固定在一支架上。風(fēng)機(jī)組由四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)組成，軸流風(fēng)機(jī)間互成。方案不同點(diǎn)在于使用了硬質(zhì)桿連接軸流風(fēng)機(jī)組，解決了軸流風(fēng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)的問題綜合以上種方案，選擇方案。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

　　2.1系統(tǒng)總體的分析

　　2.1.1 風(fēng)力擺畫直線段的受力分析

　　通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的力的大小，來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)力擺所受合力大小，即風(fēng)力擺的回復(fù)力大小。

　　2.1.2 風(fēng)力擺按固定方向擺動(dòng)分析

　　X軸畫直線方案：

　　當(dāng)風(fēng)力擺按照預(yù)設(shè)的高度做X軸上的穩(wěn)定直線擺動(dòng)時(shí)，他的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型是單擺運(yùn)動(dòng)?？紤]到風(fēng)力擺從靜止達(dá)到穩(wěn)定的X軸擺動(dòng)時(shí)，Y軸的分量為零，所以垂直于X軸的Y軸對(duì)他的控制施加為零即可，控制過程轉(zhuǎn)化為主要的X軸的控制。對(duì)于理想的單擺運(yùn)動(dòng)擺在兩端達(dá)到的高度是不變的，就是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，這是系統(tǒng)的機(jī)械能恒定不變公式(1)。由于空氣阻力靜摩擦力等阻尼會(huì)使系統(tǒng)能量漸漸減小到零，趨于靜止。據(jù)此可以通過增加或減小系統(tǒng)機(jī)械能和補(bǔ)償系統(tǒng)阻尼損失的能量來(lái)控制系統(tǒng)。

　　由(1)式得

　　轉(zhuǎn)化為

　　上式中θx是對(duì)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(shù)字，W相當(dāng)于對(duì)E做線性變換。通過設(shè)定Wset值與實(shí)時(shí)計(jì)算的Wget，使用PI控制可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺的穩(wěn)定沿著X軸畫直線。

　　2.1.3 風(fēng)力擺快速保持靜止分析

　　任意角度的劃線方案：

　　當(dāng)設(shè)定角度為α?xí)r可以通過坐標(biāo)系變換將任意角度畫直線轉(zhuǎn)化為X軸換線來(lái)解決。當(dāng)風(fēng)力擺沿著α軸劃線時(shí)，新建x’Oy’坐標(biāo)系是由xOy旋轉(zhuǎn)α。這是對(duì)于x’Oy’風(fēng)力擺是沿著X’軸單擺，通過上一種方案計(jì)算出控制量在逆變換到xOy系控制四路電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)任意角度的單擺畫出直線。

　　xOy坐標(biāo)系到x’Oy’系的轉(zhuǎn)化：

　　x’Oy’坐標(biāo)系到xOy系的轉(zhuǎn)化：

　　2.1.4 風(fēng)力擺部分分析

　　Z軸偏角有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。控制思路是計(jì)算擺的Z軸偏角來(lái)獲取圓的半徑大小，X,Y軸偏角計(jì)算線速度的方向向量。最后由設(shè)定半徑與反饋半徑的PI控制來(lái)求出擺的切向加減速，這個(gè)控制量要對(duì)線速度的方向逆變換，分解到X,Y軸的四路電機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

　　2.2 控制算法的計(jì)算

　　2.2.1 PWM值計(jì)算PID是一個(gè)閉環(huán)控制算法因此要實(shí)現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)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(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著效果，在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)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(zhì)量要求很高的控制系統(tǒng)。改變加到直流電機(jī)電樞兩端的直流驅(qū)動(dòng)電壓，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)

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