電子設(shè)計(jì)大賽風(fēng)力擺控制系統(tǒng)論文[b(編輯修改稿)
2025-07-10 09:22 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不需要事先知道對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 ,具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、過渡過程時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但編程復(fù)雜，數(shù)據(jù) 處理量大。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。 方案二：采用 PID 算法，原理簡(jiǎn)單，使用方便；適應(yīng)性強(qiáng)；魯棒性強(qiáng)，其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的變化不太敏感，非常適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)； PID 算法有一套完整的參數(shù)整定與設(shè)計(jì)方法，易于被工程技術(shù)人員掌握；許多工業(yè)回路中對(duì)控制快速性和控制精度要求不是很高，而更重視系統(tǒng)的可靠性時(shí)，使用 PID 控制能獲得 較高的性價(jià)比；長(zhǎng)期應(yīng)用過程中，對(duì) PID 算法缺陷可以進(jìn)行改良。優(yōu)點(diǎn)是控制精度高 ,且算法簡(jiǎn)單明了。 3 對(duì)于本系統(tǒng)的控制已足夠精確，節(jié)約了單片機(jī)的資源 ,同時(shí)減少了運(yùn)算時(shí)間。 綜合比較以上兩個(gè)方案，本系統(tǒng)選擇方案二。 二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 PID 算法 的分析 PID 控制是將偏差的比例（ Proportional）、積分（ Integral）和微分（ Differential）三者通過線性組合構(gòu)成控制量。 比例調(diào)節(jié)規(guī)律依據(jù)“偏差的大小”來(lái)動(dòng)作，它的輸出變化量與輸人偏差成比例，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，作用及時(shí)，能有效地克服 各種干擾，是最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律，它的缺點(diǎn)是不能消除余差，因此只能用于那些對(duì)被調(diào)參數(shù)精度要求不高的場(chǎng)合。常用比例度 kp 表示比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。 kp 越小，表示比例增益越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。同時(shí)， kp 越小，被調(diào)參數(shù)余差也越小，但調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。常規(guī)的 PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 21 所示。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成。 圖 21 PID模型 PID 控制器是一種線性控制器，其控制算法的模擬表達(dá)式是：如圖 22所示。 圖 22 PID公式 在本 PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，比例調(diào)節(jié)風(fēng)力擺的轉(zhuǎn)速大小， 時(shí)轉(zhuǎn)速合適的根據(jù)角度來(lái)輸出，能夠使風(fēng)力擺較好較好較快的保持在某一個(gè)固定的角度，它具有反應(yīng)快、無(wú)滯后的特點(diǎn)，能及時(shí)克服擾動(dòng)干擾，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近。但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，當(dāng) KP 過大時(shí)會(huì)應(yīng)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在偏差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除偏差，因此，只要有足夠的時(shí)間，積分作用將能完全消除誤差，但積分調(diào)節(jié)動(dòng)作緩慢，其調(diào)節(jié)作用總是滯后于偏差信號(hào)的變化。而且，當(dāng)積分作用太強(qiáng)時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。微分控制可以減小超調(diào)量，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。它能 反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變得不很大之 4 前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效超前修正信號(hào)，提高風(fēng)力擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 風(fēng)力擺 的 角度、加速度 計(jì)算 風(fēng)力擺的角度有傳感器 MPU60 50 得到，使用到了 MPU6050 的 IIC 協(xié)議，有單片機(jī)的 I/O 口模擬相關(guān)的時(shí)序，獨(dú)處相對(duì)應(yīng)的角度，和加速度，分別得到俯仰角、橫滾角和、偏航角；傳感器的安裝位置保持偏航角的垂直線和風(fēng)力擺的中心軸同向；這樣在擺動(dòng)過程中就可以有俯仰角測(cè)出，擺動(dòng)的角度大??；單片機(jī)得到相應(yīng)的角度后，由 PID 相關(guān)的算法，合理的調(diào)試出三個(gè)參數(shù)作用在 PWM 輸出合適隨時(shí)動(dòng)態(tài)的占空比，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。 電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)力擺控制 分析 如何實(shí)現(xiàn)畫直線、畫圓等復(fù)雜的動(dòng)作的呢？再畫直線時(shí)要求風(fēng)力擺有較好的線性度，這就要求在安裝風(fēng)機(jī)是盡可能的角度準(zhǔn)確，在風(fēng)機(jī)合理的合理的作用力產(chǎn)生的合力，從而推動(dòng)風(fēng)機(jī)作畫直線的運(yùn)動(dòng)，最開始可以設(shè)置一個(gè)合理的角度，在垂直狀態(tài)下，開啟一個(gè)風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)擺動(dòng)到對(duì)應(yīng)角度后，立即停止風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)靠重力左自由下降的落體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)開啟另一側(cè)的電機(jī)，使其反方向的吹動(dòng)，同樣擺動(dòng)到對(duì)應(yīng)角度后，風(fēng) 機(jī)停轉(zhuǎn)，這樣就基本上實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺的類似自由擺的運(yùn)動(dòng)。 三、電路與程序設(shè)計(jì) 電路的設(shè)計(jì) （ 1） 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)總體框圖如圖 31 所示 ： 圖 31 系統(tǒng)總體圖 （ 2） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 ，如圖 32 所示。 5 圖 32 光耦電路圖 ，如圖 33 所示。 圖 33 電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖 （ 3） 電源 電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供 5V或者 12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，故不作詳述。
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