朱志強

（江陰職業(yè)技術學院，江陰　214400）

基于MATLAB/Simulink閉環(huán)小車控制系統(tǒng)設計

朱志強

（江陰職業(yè)技術學院，江陰214400）

針對小車運動過程中易受外界因素干擾，運動狀態(tài)出現(xiàn)不確定性的問題，提出基于MATLAB/Simulink的閉環(huán)系統(tǒng)設計方法，系統(tǒng)使用Simulink自帶的Arduino硬件目標庫進行小車驅(qū)動電路、測速電路的設置及運動狀態(tài)的閉環(huán)建模，將整定后的系統(tǒng)由MATLAB/Simulink環(huán)境下載至下位機Arduino后，小車能精準實現(xiàn)預設的運動狀態(tài)。結(jié)果表明：將Arduino與Simulink有效結(jié)合后，開發(fā)靈活，成本低，對基于算法的運動控制系統(tǒng)研究有推廣價值。

Arduino；Simulink；閉環(huán)系統(tǒng)；PID控制；智能小車

2016年江蘇高校哲學社會科學研究課題（No.2016SJD79002）、2016年江陰職業(yè)技術學院科研項目（No.16-E-DZ-18）

0　引言

小車運動控制可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種模式。開環(huán)控制系統(tǒng)軟硬件設計都較為簡單，常用于小車機械部分的功能測試，但在實際運行過程中小車不能根據(jù)外在因素變化及時對小車的運行姿態(tài)進行調(diào)整。以走直線為例，小車會受到兩側(cè)車輪摩擦阻力、路面平整度、電機傳動差異性等因素影響，使小車偏離直線車道。

閉環(huán)控制可以通過計算機編程來控制其行駛，可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動地運行，無需人工干預便可以完成預期所要達到的目標，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)［1-4］；它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體［5-6］。

本設計在傳統(tǒng)小車驅(qū)動基礎上增加了測速反饋裝置，采用MATLAB/Simulink對小車驅(qū)動進行PID調(diào)節(jié)，小車的運動狀態(tài)得以實時調(diào)整，使小車在運行中能有效減少外部因素的干擾。

1　系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)設計分為上位機和下位機兩部分，上位機由MATLAB/Simulink進行建模，下位機負責采集小車運行速度信號，并根據(jù)上位機的實時調(diào)節(jié)及時調(diào)整輸出小車直流電機驅(qū)動模塊的PWM控制信號。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1　小車閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括Arduino核心板控制電路、小車電機驅(qū)動電路、車輪測速傳感模塊。這些模塊安裝于車體上，由7.2V大容量鋰電池經(jīng)各穩(wěn)壓模塊向相應電路提供電源。

2.1核心控制電路

Arduino是一系列基于單片機的人機互動產(chǎn)品開發(fā)平臺，它的硬件平臺是開放的。Arduino的硬件平臺包括基于AVR單片機的主控制電路板，以及大量的各式輸入/輸出電子模塊。輸入/輸出模塊包括開關輸入模塊、溫度壓力傳感器輸入模塊、超聲測距傳感器輸入模塊、各類顯示輸出模塊、電機控制模塊等［7］。

系統(tǒng)開發(fā)時，使用Simulink來設計控制系統(tǒng)和小車運動的算法，通過與執(zhí)行平臺相連，程序可以在Arduino上運行。Arduino Mega 2560對MATLAB/Simulink支持較好，是Simulink的外接硬件目標庫的成員之一，該板內(nèi)置一個Atmel ATmega處理器，提供數(shù)字和模擬連接以及串口通信，方便檢測電機轉(zhuǎn)速，并及時調(diào)整輸出PWM占空比以調(diào)節(jié)電機驅(qū)動速度。系統(tǒng)設計時可以在Arduino Mega上運行應用程序的交互式參數(shù)調(diào)整和信號監(jiān)控，而這在Arduino Uno上是無法使用的。

2.2電機驅(qū)動電路

現(xiàn)代豫劇《香魂女》和《常香玉》帶著強烈地創(chuàng)新使命和探索意識，有效地嘗試并創(chuàng)造性地完成了戲曲現(xiàn)代戲在新時期的現(xiàn)代化創(chuàng)作，在創(chuàng)作中，也有意識地以局部形態(tài)向戲曲的現(xiàn)代性逼近?？梢詳嘌?，戲曲現(xiàn)代戲未來的發(fā)展，仍然面臨著這兩個問題：戲曲現(xiàn)代戲的戲曲化和戲曲現(xiàn)代戲的現(xiàn)代性。

電機工作時電流高于核心板I/O口輸出電流，使用時必須外接電機驅(qū)動電路。驅(qū)動電機可采用L298N雙H橋電機驅(qū)動控制模塊［8］，其驅(qū)動部分端子的電壓范圍為：+5V～+35V，驅(qū)動電流峰值可達2A。L298N既可以用來驅(qū)動直流電機，實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速功能，還可以用來控制步進電機。本設計用L298N驅(qū)動小車左右兩個輪子，實現(xiàn)小車的前進、后退及左右轉(zhuǎn)彎，L298N用于直流電機驅(qū)動的引腳邏輯關系如表1所示。

表1　L298N驅(qū)動直流電機控制邏輯（以左輪為例）

2.3光電編碼測速電路

要實現(xiàn)小車的閉環(huán)控制，必須對小車左右兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速實時跟蹤檢測，光電脈沖編碼器憑借其在價格和性能方面的優(yōu)勢一直是轉(zhuǎn)速檢測的主要器件［9］，測速時編碼器碼盤以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示碼的狀態(tài)是1或0，電機轉(zhuǎn)速的快慢和脈沖編碼的頻率成線性關系。光電編碼信號經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后輸出至Arduino核心板。

3　系統(tǒng)閉環(huán)控制建模

Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。MATLAB/ Simulink2012版本后提供了對Arduino的全面支持，使用Simulink Support Package for Arduino Hardware庫中的模塊進行建模，然后在目標硬件Arduino上運行，可以非常方便地實現(xiàn)各類閉環(huán)控制。Arduino與Simulink的混合應用模式如圖2所示。

圖2　Arduino與Simulink混合應用模式

3.1電機控制

小車的運行動作有直行、轉(zhuǎn)向、停止三種，Simulink建模時無法同時對兩側(cè)電機分別給出獨立的速度控制信號，設計時可以將兩側(cè)車輪的驅(qū)動信號分解為速度信號和轉(zhuǎn)彎信號，如圖3所示。

圖3　電機驅(qū)動信號的分解

由圖3可看出，兩側(cè)車輪的輸入信號為速度信號與轉(zhuǎn)彎信號的正負疊加。直行時，無需轉(zhuǎn)彎信號，兩輪速度信號相同；轉(zhuǎn)彎時，只需改變轉(zhuǎn)彎信號的極性，便可實現(xiàn)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。由于后續(xù)還要進行PID調(diào)節(jié)控制，圖3輸出的速度信號還要經(jīng)過比較器和PID控制器的計算及PWM飽和模塊設置才能經(jīng)Arduino生成相應的PWM波。與Arduino相連的L298N邏輯控制如圖4所示。

圖4　L298N的邏輯控制

3.2編碼測速控制

設計中采用的光電編碼器為100步數(shù)，故可得：

由式（2）可知，只要準確測出相鄰兩次脈沖的時間間隔便可推算出車輪轉(zhuǎn)速，設計時先由Digital Clock模塊來產(chǎn)生一個準確的時間，再在Simulink庫中調(diào)用觸發(fā)子系統(tǒng)既可實現(xiàn)該功能。

3.3PID調(diào)節(jié)

PID（Proportional，Integral and Differemial）控制器是一種的簡單的反饋調(diào)節(jié)控制算法，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

圖5　PID控制器結(jié)構框圖

本系統(tǒng)使用PID控制器可以使小車運動具有更快的時間響應和更小的穩(wěn)態(tài)誤差，即小車運行過程中可以最大程度的消除理想狀態(tài)外的各種干擾因素。本設計的PID反饋控制如圖6所示。

圖6　小車閉環(huán)控制框圖

4　小車運行分析

PID控制器由比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)構成。在控制系統(tǒng)結(jié)構確定后、控制對象處于正常狀態(tài)時，應適當調(diào)整控制器的參數(shù)使控制系統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài)，實現(xiàn)最好的控制效果。由于具體的傳遞函數(shù)難以確定，所以系統(tǒng)設計時，PID參數(shù)整定采用試湊法。

4.1比例環(huán)節(jié)參數(shù)Kp的整定

偏差信號e（t）產(chǎn)生后，負反饋介入以修正偏差。理論上，比例系數(shù)Kp增大可提高系統(tǒng)的響應速度，但比例系數(shù)太大會產(chǎn)生有害振蕩。將系統(tǒng)的積分和微分環(huán)節(jié)移除后，在比例環(huán)節(jié)單獨作用下，通過改變Kp值并觀察系統(tǒng)運行情況，考慮到設計中的被控量是小車車輪轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)是一階系統(tǒng)，因此Kp可以適當放寬，經(jīng)過試湊后，Kp值設為20。

4.2積分環(huán)節(jié)參數(shù)Ti的整定

在比例控制的基礎上加入積分控制，是系統(tǒng)增加一階，這可以使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差進一步得到改善。積分控制取決于積分時間Ti，整定時將微分控制移除，逐步對積分系數(shù)進行試湊，直至靜差消除的速度滿意。由于系統(tǒng)已經(jīng)是二階系統(tǒng)，過大的積分系數(shù)會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，試湊后，1/Ti設為了0.005比較合適。

4.3微分環(huán)節(jié)參數(shù)Td整定

微分控制反映了偏差信號的變化速率，改控制是一種預見性控制，使得系統(tǒng)能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。對Td試湊時，最后選擇的Td的值為4。

5　結(jié)語

將系統(tǒng)從Simulink環(huán)境寫入Arduino Mega后，由于小車采用了PID閉環(huán)控制控制系統(tǒng)，很大程度上提高了小車運動的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，使小車能更快響應測速信號的變化，更準確地按照給定的指令運轉(zhuǎn)，在出現(xiàn)外界干擾時能夠迅速調(diào)節(jié)回正常狀態(tài)，小車運行穩(wěn)定性得到了改善。利用MATLAB/Simulink可以實現(xiàn)PID控制器的離線設計和整定，將Simulink與開源硬件Arduino配合使用，可以推廣到多種運動控制系統(tǒng)中，有較強的使用價值。

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Arduino；Simulink；Closed-Loop System；PID Control；Smart Vehicle

Design of Closed-Loop Control System for Vehicle Based on MATLAB/ Simulink

ZHU Zhi-qiang
（Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214400）

Vehicle can be interfered by external factors，and motion appears uncertain state，to deal with these issues，proposes closed-loop system design based on MATLAB/Simulink，the system uses the target hardware library for Arduino by Simulink to drive the vehicle，speed measurement and modeling of the closed-loop system，the tuning system after downloading the MATLAB/Simulink environment to Arduino，the vehicle can achieve precise default state of motion.The result shows that：after the effective combination Arduino and Simulink，the development of flexible，low cost，motion control system based on the algorithm research has promotional value.

1007-1423（2016）28-0049-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.28.014

朱志強（1981-），男，江蘇靖江人，講師，碩士，研究方向為電子通信及嵌入式系統(tǒng)

2016-07-28

2016-09-25