湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉 彤 陳新喜

基于雙閉環(huán)控制的風(fēng)帆控制系統(tǒng)設(shè)計

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉 彤 陳新喜

本文構(gòu)建了以單片機為核心，PWM驅(qū)動直流電機，角度傳感器測量角度，增量PID調(diào)節(jié)PWM，風(fēng)板角度的動態(tài)控制系統(tǒng)，提出轉(zhuǎn)速和角度雙閉環(huán)控制控制方法，給出了測量實驗數(shù)據(jù)，滿足了對風(fēng)板角度控制的要求。

風(fēng)板控制；單片機；雙閉環(huán)控制；增量PID

0　引言

風(fēng)板控制裝置是2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽高職高專組控制類題目，與2011年的帆板控制題目相比，角度變成了雙向控制，裝置如圖1所示。

圖1

基本要求如下：

（1）預(yù)置風(fēng)板控制角度（控制角度在45°～135°之間設(shè)定）。由起點開始啟動裝置，控制風(fēng)板達到預(yù)置角度過渡程時間不大于 10s，控制角度誤差不大于5°，在預(yù)置角度上的穩(wěn)定停留時間為5s，誤差不大于1s。動作完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在終點位置上。

（2）在45°～135°范圍內(nèi)預(yù)置兩個角度值（Φ1 和Φ2）。由終點開始啟動裝置，在10s 內(nèi)控制風(fēng)板到達第一個預(yù)置角度上；然后到達第二個預(yù)置角度，在兩個預(yù)置角度之間做3次擺動，擺動周期不大于5s，擺動幅角誤差不大于5°，動作完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在起點位置上；

（3）顯示風(fēng)板設(shè)置的控制角度。風(fēng)板從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個狀態(tài)時應(yīng)有明顯的聲光提示。

發(fā)揮部分要求增加重量為10g砝碼，用小長金屬夾整體夾在風(fēng)板對應(yīng)位置上，完成基本要求的功能。

本文根據(jù)題目要求，以單片機為核心，設(shè)計控制系統(tǒng)，完成對風(fēng)板角度的控制。

1. 系統(tǒng)方案設(shè)計

分析題目可知，本題目通過控制兩個風(fēng)機的風(fēng)量來控制風(fēng)板，完成規(guī)定動作，涉及電機驅(qū)動、角度檢測、閉環(huán)控制、AD 轉(zhuǎn)換等單片機應(yīng)用技術(shù)。系統(tǒng)由單片機控制電路、人機交互模塊、風(fēng)機驅(qū)動模塊、角度檢測模塊、聲光報警模塊、系統(tǒng)電源6 大模塊構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

單片機控制電路作為系統(tǒng)核心，實現(xiàn)系統(tǒng)電路控制和功能控制［1］；人機交互模塊實現(xiàn)系統(tǒng)人機交互功能，包括LCD顯示、按鍵檢測等；風(fēng)機驅(qū)動模塊接受單片機指令，完成風(fēng)板兩側(cè)直流風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動；角度檢測模塊對風(fēng)板擺動角度進行檢測，送給單片機；聲光報警模塊對系統(tǒng)功能做出聲、光指示；系統(tǒng)電源向各個模塊提供工作電源。

圖2 風(fēng)板控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 系統(tǒng)控制電路原理圖

2. 主要電路設(shè)計

2.1單片機控制電路

單片機控制電路以STC12C5A60S2為核心，擴展I2C總線存儲芯片24C02，如圖3所示。STC12C5A60S2單片機指令完全兼容51系列，速度快8-12倍。內(nèi)部集成專用復(fù)位電路，2路PWM輸出，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，適合電機控制，強干擾場合應(yīng)用［2］。24C02內(nèi)部具有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間，可以用來保存系統(tǒng)各種控制參數(shù)。

2.2電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動分別驅(qū)動風(fēng)板兩側(cè)的的直流電機，接受單片機控制信號，采用光耦隔離。電機驅(qū)動采用兩片LMD18200實現(xiàn)，LMD18200是專用于運動控制的H橋組件，連續(xù)輸出電流達3A ，工作電壓高達55V，具有溫度報警和過熱與短路保護功能。LMD18200與單片機通過光耦進行隔離，單片機只需要輸出DIR方向信號和PWM信號，就可以驅(qū)動直流電機按照指定方向和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時，輸出電機部分設(shè)計了保護電路和抗干擾電路，進一步保護驅(qū)動電路和器件。電路原理圖如圖4所示。

圖4 直流電機驅(qū)動原理圖

2.3角度檢測電路

角度檢測采用模擬角度傳感器，需要進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，再輸入單片機。這里選用模擬傳感器WDD35D4-5K ，線性度0.1%，電阻值為5K的電阻式角度傳感器，精度高，線性度好，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。A/D轉(zhuǎn)換器采用AD8341，4通道A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率大于100K，16位精度，SPI總線接口，電路原理圖如圖5所示［3］。

圖5 角度測量電路原理圖

傳感器與風(fēng)板同軸安裝，角度變化，輸出電壓變化，經(jīng)過運放LM358跟隨輸入A/D轉(zhuǎn)換器AD8341，AD8341通過SPI接口送數(shù)據(jù)給單片機，完成角度測量。

3. 軟件設(shè)計

系統(tǒng)功能主要是完成對風(fēng)板角度的控制，利用單片機、PWM、電機、風(fēng)板和傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生干擾，是系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以，采用數(shù)字濾波增強抗干擾能力，雙閉環(huán)控制增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.1數(shù)字濾波

在系統(tǒng)控制過程中，傳感器與風(fēng)板同軸安裝，各個測量環(huán)節(jié)硬件電路和機械結(jié)構(gòu)都存在電磁、濾波、噪音的干擾，影響數(shù)據(jù)的準確性；結(jié)合軟件數(shù)字濾波算法［4］，可以增強系統(tǒng)的抗干擾性，提高采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。數(shù)字濾波采用中位值平均濾波算法，由單片機對角度值采樣12次，去除最大值、最小值，剩余取平均值，得到穩(wěn)定的角度值。

3.2閉環(huán)控制

系統(tǒng)主要控制對象是角度控制，包含精度控制和穩(wěn)定性控制兩個方面。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)是對電機轉(zhuǎn)速的控制，因為不管是什么角度，最終反映到電機就是轉(zhuǎn)速問題，決定風(fēng)量的大小，同樣環(huán)境下，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定保證風(fēng)量穩(wěn)定，保證風(fēng)板角度穩(wěn)定，解決穩(wěn)定性問題，另外速度環(huán)，還可以提高系統(tǒng)快速性。外環(huán)控制是角度控制［5］，角度采集作為反饋量，經(jīng)過數(shù)字增量PID調(diào)節(jié)，輸出角度誤差作為速度環(huán)的一個輸入，與速度反饋疊加，調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動的占空比，保證角度的準確性，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖

4. 系統(tǒng)實驗與測試

系統(tǒng)按照要求進行了基本功能測試和發(fā)揮功能測試，角度數(shù)據(jù)從45度～135度，測量角度和時間，基本功能不帶砝碼，發(fā)揮功能帶10克砝碼，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

從測量數(shù)據(jù)可以看出，在不加砝碼和加砝碼兩種情況都能夠達到測量要求，無砝碼時精度更高，穩(wěn)定時間更短，加砝碼時，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，精度滿足要求，穩(wěn)定時間變長。

5. 結(jié)論

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)對風(fēng)板角度的控制，采用了以單片機為核心的PWM驅(qū)動技術(shù)、數(shù)字增量PID調(diào)節(jié)技術(shù)，通過速度和角度雙閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性，從測試數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)設(shè)計滿足對角度控制的要求，運行可靠、穩(wěn)定。

［1］陳桂友.增強型8051單片機實用開發(fā)技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［2］黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］尹慧，詹新生.基于單片機控制的角度自動調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2012，20 （2）.

［4］趙林，基于 STC12C5A60S2 的帆板控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2012，20（02）.

［5］李莉，曹紅英.基于單片機的風(fēng)板控制裝置設(shè)計與實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機，2016，29（03）.

Design of sailboard control system based on double closed control algorithm

Liu Tong， Chen Xin Xi
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001， China）

This article constructed the wind board Angle of dynamic control system with SCM as the core， the dc motor with PWM using incremental PID， the sensor of angle measurement and put forward the control method of the double closed loop with speed and Angle. The data of measurement experiment is given. The system meet angle control requirements of the wind board.

wind board control ；SCM；double closed loop control；incremental PID

劉彤（1972-），男，湖南株洲人，工學(xué)碩士，講師，主要研究領(lǐng)域：控制理論與控制工程。

基金支持：2016年湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級課題（課題編號：K201609）。