徐雯琪++陳佳穎++袁菊明

摘要：介紹一種基于MSP430單片機控制的風力擺控制系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)以F5529Lauchpad為控制核心，以MPU6050為主傳感器，采用積分分離PID算法計算控制輸出，利用片內(nèi)定時器輸出PWM波到驅(qū)動電路控制空心杯電機轉(zhuǎn)速，達到快速起擺、保持穩(wěn)定飛行的要求。

關(guān)鍵詞： 積分分離PID算法；430F5529 ；MPU6050；四元素算法；PWM控制

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）11-0256-02

風力擺控制系統(tǒng)是一個研究物體運動中軌跡控制以及運動平衡的實驗裝置，示意圖如圖1所示，具有多變量、非線性、參數(shù)不確定性等動力學特性。當風力擺運動時，除受到重力、剛性軸的拉力之外，還受到垂直于剛性軸平面的四個風機的推力作用，為本質(zhì)不穩(wěn)定狀態(tài)。風力擺控制系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一個較典型的研究對象，可以作為學習、應用控制理論及控制算法的學習平臺，同時對學習平衡控制、飛行器姿態(tài)控制起到入門的作用。

1 硬件系統(tǒng)

風力擺的硬件系統(tǒng)可分為兩個主要部分，一為機械結(jié)構(gòu)，主要包括支架、兩個萬向節(jié)、擺桿、電機支架；另一部分為控制電路，主要包括電機（含槳）、傳感器、電源、激光頭、控制電路板以及LCD 顯示器等。

1.1 機械結(jié)構(gòu)

本文用以承載風力擺的懸掛支架高90cm，懸掛臂固定一個萬向節(jié)，70CM長的碳纖維棒通過頂絲固定于萬向節(jié)，碳纖維棒的下端通過萬向節(jié)連接支架，四個電機置于支架平面的四個方向，電機軸安裝槳葉，電機工作槳葉高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力推動支架偏離垂直位置，四個推力配合就能控制支架按照一定的軌跡運動。如下圖所示：

1.2 控制系統(tǒng)硬件

風力擺控制系統(tǒng)的核心采用TI的MSP430F5529芯片，采用F5529芯片不僅是因為其優(yōu)秀的控制性能，很好的可靠性以及豐富的內(nèi)部資源：有三個定時器提供多達十幾路的捕獲/比較輸出，10KB的SRAM空間，128KB的FLASH程序空間[1]，能滿足本控制系統(tǒng)中需要至少4路的PWM輸出，程序中有計算平臺的偏轉(zhuǎn)角度時需要較多的變量的編程需要。圍繞此芯片搭建的控制板還包括電源轉(zhuǎn)換模塊，為主控芯片及電機驅(qū)動電路提供電源；按鍵接口用于設置參數(shù)，完善控制性能利用；電機驅(qū)動模塊，利用L298 芯片搭建驅(qū)動電路，為直流電機提供控制電壓；LCD顯示器用來將所采集的信號以及經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)顯示出來，這樣可以使控制過程更加直觀；MPU6050模塊，以IIC總線與單片機連接，讀取三軸加速度、角加速度參數(shù)，模塊垂直固定在碳素桿上，檢測風力擺擺動角度。圖2為風力擺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2 軟件設計

2.1 控制策略

當未加任何控制時，由于重力作用，擺體（電機支架）垂直向下，當要求擺體做圓周運動（本文以控制風力擺做圓周運動為例）時，控制內(nèi)電機、左電機，電機帶動槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風力，使擺邊旋轉(zhuǎn)邊偏離Z軸，MPU6050模塊用熱膠固定在擺桿上，讀取其加速度參數(shù)，運用四元素解析算法，計算出Z軸的偏轉(zhuǎn)角度，Z軸的偏轉(zhuǎn)角度就是風力擺的目標參數(shù)?？刂栖浖饕鞒谭謨蓚€部分，主程序部分及中斷服務程序部分，主程序在完成芯片時鐘、定時器、PID參數(shù)等初始化設置后，進入擺角設置模塊，完成設置后進入主模塊：檢測是否按下按鈕取消當前飛行返回，如果否則控制PWM輸出模塊，定時中斷設置的定時間隔為1MS，中斷程序中主要完成通過IIC接口讀取6050參數(shù)，調(diào)用四元素解析算法模塊，計算擺桿的Z軸偏轉(zhuǎn)角，然后進行PID運算，根據(jù)運算結(jié)果，修改定時器PWM模塊的CCRX參數(shù)。軟件流程如圖3所示。

2.2 改進PID 控制算法

本系統(tǒng)中控制對象為風機轉(zhuǎn)速，達到讓風力擺按預定軌跡飛行的要求。以要求風力擺作圓周飛行為例，Z軸的偏轉(zhuǎn)角度作為控制目標，啟動后，風機開始工作后，讀取6050模塊數(shù)據(jù)，調(diào)用四元素算法，計算出Z軸的偏轉(zhuǎn)角度，并與目標偏轉(zhuǎn)角度比較，使得風力擺的運動狀態(tài)逐漸趨向圓周并保持平穩(wěn)。傳統(tǒng)PID 算法的輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，由于普遍應用計算機（單片機）代替模擬調(diào)節(jié)器，用軟件實現(xiàn)PID控制算法，因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要進行離散化。本文采用增量式PID控制算法，提供給執(zhí)行機構(gòu)的是控制量的增量，根據(jù)遞推原理可得

增量式PID控制算法解決了PID算法在單片機中計算問題，對于本系統(tǒng)而言，還有一個問題需要考慮：當啟動風力擺時，偏差很大，系統(tǒng)要求迅速地接近目標值，在接近目標值時，控制的重點是系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好，即飛行時圓周的偏差要小。因此在上述算法基礎上，采用積分分離控制策略，基本思路是：當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度，流程圖鍵圖4，其具體實現(xiàn)步驟如下：

a） 根據(jù)實際情況，人為設定閾值ε>0；

3實驗結(jié)果及分析

本文搭建了以430F5529LAUNCHPAD為控制核心、以一款最高轉(zhuǎn)速達40000rpm的超強磁空心杯電機為槳葉驅(qū)動的風力擺控制系統(tǒng)，在實驗中不僅要對a0、a1、a2作參數(shù)整定，積分分離PID控制時，ε值的設置也對系統(tǒng)的穩(wěn)定時間、偏差有一定的影響，下表一列出了不同ε值下以及采用一般增量PID算法下，經(jīng)過參數(shù)整定后，穩(wěn)定時間及偏差對比數(shù)據(jù)。

從實驗結(jié)果看，本控制系統(tǒng)采用釹鐵硼超強磁空心機電機，風力擺起擺快，穩(wěn)定性較好，設置不同的PID參數(shù)對擺的運動控制效果明顯，但是在控制飛行偏差上，有待進一步提高。

參考文獻：

[1] 沈建華，楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2] 胡壽松.自動控制原理[M]. 6版.北京：科學出版社，2013.

[3] 謝克明.現(xiàn)代控制理論[M].北京：清華大學出版社，2007.