田德永

（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，貴州貴陽，550024）

基于雙PID的風(fēng)板控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

田德永

（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，貴州貴陽，550024）

設(shè)計了一種風(fēng)板控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用增量式雙PID算法，采用STC單片機作為控制核心，用重力加速度傳感器實時采集風(fēng)板角度，利用單片機的PWM信號調(diào)節(jié)風(fēng)機速度，控制風(fēng)板運動軌跡，最終使風(fēng)板平穩(wěn)達到規(guī)定的動作。

風(fēng)板控制； PWM；雙PID

0　引言

本設(shè)計源于2015 年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽高職組控制類題目，要求設(shè)計并制作一種風(fēng)板控制系統(tǒng)，通過控制風(fēng)機的風(fēng)速來控制風(fēng)板完成規(guī)定動作，并能發(fā)出相應(yīng)的聲光提示。風(fēng)板具體動作要求，可參考競賽題目《風(fēng)板控制裝置》。

1　系統(tǒng)方案的設(shè)計

本系統(tǒng)采以控制模塊為核心，運用雙PID算法，并利用控制模塊產(chǎn)生兩路PWM信號，提供給兩個風(fēng)機驅(qū)動模塊。輔助電路由角度測量模塊、按鍵模塊、顯示模塊、左右風(fēng)機驅(qū)動模塊、聲光提示模塊等組成。通過按鍵的操作設(shè)定風(fēng)板的預(yù)置角度和預(yù)設(shè)規(guī)定的動作，控制模塊通過角度傳感器實時獲取風(fēng)板角度，進行PID算法后并調(diào)整PWM信號的占空比，實現(xiàn)對風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制，并將風(fēng)板角度顯示模塊上?？刂葡到y(tǒng)方案框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)方案框圖

2　系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn)

2.1控制模塊的選擇

現(xiàn)在流行的控制器有ARM、STM32、51單片機系列，ARM、 STM32運行速度快，且運行資源比較多，可進行復(fù)雜的運算，但價格比較貴。而根據(jù)系統(tǒng)要求及本設(shè)計采取的方案，控制器主要的是進行PID算法的運算以及輸出PWM控制，不需要進行更復(fù)雜的運算，因此從性價比角度看，控制模塊采用51單片機即可。本設(shè)計中采用宏晶公司的STC15F2K61S2單片機作為控制模塊。STC15F2K61S2屬于增強型51單片機，速度比普通8051快8～12倍，具有8通道10位高速A/D，3路PWM。

2.2驅(qū)動模塊

風(fēng)機驅(qū)動采用L298N 芯片控制。L298N是SGS公司出產(chǎn)的4通道邏輯驅(qū)動電路芯片，該芯片是專用的電機驅(qū)動芯片，其內(nèi)部含有H 橋的高電壓、大電流全橋驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機，采用標準邏輯電平控制，具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響下允許或禁止。其中4腳接電源電壓，電壓范圍為+2.5～46 V，最大工作電流2.5A，額定功率25W，可驅(qū)動電感性負載。

2.3 角度傳感器模塊

角度傳感器可采用旋轉(zhuǎn)編碼器、變阻器式角位移傳感器、及加速度傳感器等。旋轉(zhuǎn)編碼器精度高、安裝工藝復(fù)雜，且容易受震動影響，需要進行濾波處理。變阻式角位移傳感器原理簡單，它是將角度變化量的測量變?yōu)殡娮枳兓康臏y量，但是精度不高，且容易燒壞。本設(shè)計采用ADX335型號的角度傳感器，它是低功耗及單一的IC芯片加速度傳感器，質(zhì)量比較輕巧，容易和風(fēng)板軸銜接，經(jīng)過適當(dāng)算法后，可得到比較高精度的角度。其電壓在1.8V至3.6V之間，在-55°C 到125°C溫度范圍內(nèi)，采用5×5×2 mm的LCC的封裝。

2.4 按鍵輸入及顯示模塊

按鍵可采用4×4矩陣模塊和獨立按鍵方式?？紤]到需要輸入的量不是很多，且采用的單片機也有足夠的端口可供使用，所以采用了獨立的按鍵方式。在進行防抖處理后，在軟件設(shè)計時比較容易獲得按鍵的值。顯示模塊采用常用的LCD1602液晶模塊，它能顯示32個字符，使用方便，基本能地滿足系統(tǒng)需要顯示信息的要求。

3　控制算法的設(shè)計及實現(xiàn)

本控制系統(tǒng)的設(shè)計的核心是控制算法的設(shè)計和實現(xiàn)。由于在風(fēng)板控制系統(tǒng)中的被控對象具時變不確定性、純滯后等特征，采用了PID控制算法。通過對檢測到的角度進行PID運算，控制PWM占空比而控制風(fēng)機的速度，而使風(fēng)板能穩(wěn)定達到任意預(yù)置角度。

3.1PWM及風(fēng)力的控制

顯而易見，風(fēng)力的大小，由風(fēng)機轉(zhuǎn)速決定。轉(zhuǎn)速越大，則風(fēng)力越大。調(diào)節(jié)風(fēng)力，就是調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速來實現(xiàn)的。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)兩種。PWM控制技術(shù)中，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅度和占空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅度一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓調(diào)節(jié)，從而達到利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的。本設(shè)計中，充分利用控制模塊STC單片機能產(chǎn)生PWM信號功能，使用其中自帶的兩路PWM對風(fēng)機進行速度的調(diào)節(jié)。對兩邊風(fēng)機速度的控制和調(diào)節(jié)，即是對輸出的PWM占空比的控制。占空比又由風(fēng)板的角度進行數(shù)字PID算法實現(xiàn)，從而達到控制風(fēng)板運動的軌跡。

3.2PID控制算法

3.2.1位置式數(shù)字PID算法。該控制算法提供了執(zhí)行機構(gòu)的具體位置，輸出公式為：

由此可見，該PID輸出與整個過去的狀態(tài)有關(guān)，這種算法每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e（k）進行累加，容易產(chǎn)生大的累加誤差，且造成積分飽和，控制器運算量很大。

3.2.2增量式數(shù)字PID算法。該PID輸出只是控制量的增量Δu（k）。輸出表達式為：

可見，采用增量式算法時，控制量Δu（k）對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置的增量，而不是對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，算式中不需要累加?？刂圃隽喀（k）的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果，因此，本設(shè)計中，采用增量式PID算法。

3.2.3雙PID控制。雙PID常常采取串級PID控制，串級PID原理如圖2所示。

串級控制系統(tǒng)具有主、副兩個控制回路，從信號的傳遞方式來看，主、副控制器是串聯(lián)地進行工作，主回路的輸出是通過副回路起作用；從回路閉合方向來看，副回路被包括在主回路中，可以看成一個具有精確跟蹤能力的控制環(huán)節(jié)，它以主回路的輸出作為自己的輸入，并始終跟隨其變化而變化，即：主回路為定值控制，副回路為隨動控制，這就是串級控制系統(tǒng)的最重要的特征。在本設(shè)計中，主PID是對風(fēng)板實際角度進行PID運算，副PID主要是對從風(fēng)板右邊看去的角度進行PID運算。由于加速度傳感器獲得并不是直接角度，需要經(jīng)過單片機進行算法運算，算出角度。具體控制原理圖如圖3所示。

3.2.4PID參數(shù)的整定。

所謂PID 參數(shù)的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好時的PID 參數(shù)值，確定最合適的控制器比例度P、積分時間Ti 和微分時間Td 。PID參數(shù)的整定方法工程上最常用的有臨界比例度法、衰減曲線法和經(jīng)驗湊試法。本設(shè)計中，采用試湊法。試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度，邊觀察系統(tǒng)的運行，邊修改參數(shù)，直到滿意為止。在試湊時，一般可根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例、后積分、再微分的步驟進行整定。在采用雙PID中，先整定內(nèi)環(huán)PID，再整定外環(huán)PID。

3.3控制系統(tǒng)預(yù)定動作的實現(xiàn)

參數(shù)整定好之后，風(fēng)板基本達到預(yù)設(shè)的任意期望的角度。這為后面的風(fēng)板的動作打好基礎(chǔ)。風(fēng)板第一個動作要求是由起點開始啟動裝置，控制風(fēng)板達到預(yù)置角度，過渡過程時間不大于10s，在預(yù)置角度上的穩(wěn)定停留時間為5s，動作完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在終點位置。完成這一動作，實際上只要調(diào)節(jié)期望角度。起點時，期望角為0度，終點時，期望角為180度。期望角隨時間變化

圖2　串級PID

圖3　控制原理

用坐標圖如圖4所示。期望角按圖變化，便能基本實現(xiàn)第一個動作。Θ（t）表示期望角，θ即預(yù)定停留角度，其中，t1＜10s，t2-t1=5s。同理，風(fēng)板的第二個動作，也是控制期望角變化而實現(xiàn)的，其變化如圖5所示。

圖 4 動作一角度的變化圖

圖5　動作二角度的變化圖

4　結(jié)束語

風(fēng)板的控制，其核心還是在控制算法上。在算法上還可以采取模糊算法，自適應(yīng)算法等。本設(shè)計采用了雙PID控制算法，不需要復(fù)雜的編程就容易實現(xiàn)，且比較精準，能達到預(yù)設(shè)的動作。難點是PID參數(shù)的整定，本設(shè)計采用了試湊法進行PID的整定，需反復(fù)修改參數(shù)。為了減少工作復(fù)雜度，可進一步優(yōu)化算法，采取自整方法來實現(xiàn)。

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田德永（1978.09-）男，貴州天柱人，碩士研究生，高級實驗師，研究方向：控制與測量。

Design and Implementation of Wind Board Control System Based on Dual PID

Tian Deyong
（Guizhou Vocational and Technical Institute，Guizhou Guiyang，550024）

A kind of wind board control system was designed.The incremental dual PID was used in the control system which the STC MCU was taken as control core.The gravity acceleration sensor is used to collect the angle of the wind board in real time and the PWM signal generated with the MCU is used to adjust the speed of the fan which can control the movement of the wind board.the system makes the wind board meet the conditions which are required.

wind board control；PWM；dual PID