基于增量PID算法的智能帆板系统

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩｔＳ　ＷＯＲＬＤ·　基于增量ＰＩ　Ｄ算法的智能帆板系统　成都理工大学郭俊葳周　磊　【摘要】帆板角度控制系统是由主机和从机组成的多机控制系统，主机￣ＳＴＣ８９Ｃ５２，从机为射频遥控器，系统引入了ＰＩＤ算法实现对帆板　角度的闭环控制。首先将３２９６Ｗ电位器两端电压值利用ＡＤ芯片ＡＤＣ０８０４转换映射为帆板角度值，再通过单片机采集并结合增量式ＰＩＤ算法　控制直流电机转速，以改变风力大小，实现对帆板角度的调整和反馈补偿。系统实现了３０。至６Ｏ。范围内保持帆板角度值连续可调且误差小　于５。、液晶实时显示帆板角度值、接触式或无接触式调节帆板角度、风扇与帆板的距离可调且步进为１０ｃｍ的功能和要求。　【关键词】ＳＴＣ８９Ｃ５２；增量ＰＩＤ算法；帆板；角度控制　０引言　随着控制技术、制造技术等的不断发展，帆板控制系统正向数字　化、智能化、高性能的方向发展［１１。高精度、高稳定性的角度控制系统　的指标已经成为诸如太阳能发电、风力发电等项目工程的主要指标。　笔者所做的基于增量ＰＩＤ算法的智能帆板系统，其优点是利用　简单易获取的ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机实现了帆板旋转角度以及直流风扇　的风力的控制，并有着较好的精度和稳定性。　１总体设计方案　系统由主机和从机组成。主机以ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机为核心，由　ＳＴＣ８９Ｃ５２、Ａ／Ｄ转换、Ｌ２８Ｎ电机驱动、角度检测系统、基于增量　式ＰＩＤ帆板的角度控制系统、串行通信等模块组成，具有角度调　整、角度控制、与从机通信等功能【２］；从机则以ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机　为核心，由ＳＴＣ８９Ｃ５２、无线射频、４＊４矩阵键盘、液晶显示、串行　通信等模块组成，从机负责实时显示帆板角度、角度设定及与主机　通信等功能　。　２硬件设计　２．１主机设备　主机设备是由ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机、复位电路、电源电路和晶振　电路组成基础的系统，加入Ｌ２９８Ｎ、ＮＲＦ２４Ｌ０１、电位器等外设模　块。通过Ａ／Ｄ转化模块将电位器两端模拟信号电压值映射为当前帆　板的旋转角度，进而得出帆板角度值与电位器两端电压值的映射关　系及线性变化情况，再通过调试好的增量式ＰＩＤ算法得出直流电机　转速所须的增减量，以实现精确控制角度。主机控制系统组成框图　如图１所示：　●●＿＿＿●●●●●－－－●●●　●●－－－●●●●－ｌ－●●●●■■●＿　●●●　■－　－●■＿－＿＿－●■－＿●＿　■●●●Ｊ　图１主机控制系统组成框图　２．２从机设备　从机设备由ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机、复位电路、键盘、电源电路和晶　振电路组成的最小系统，包括４＊４矩阵键盘，通过键盘输入指定的角　度数值，再由ＮＲＦ２４Ｌ０ｌ无线模块将角度数据发送至主机响应，实现　对帆板主机的远程操作。从机控制系统组成框图如图２所示。　图２从机控制系统组成框图　２．３电机驱动部分　此系统中我们选用了Ｌ２９８Ｎ电机驱动模块。因为该芯片内含两个　Ｈ桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进　电动机、继电器线圈等感性负载；并且其具有两个使能控制端，在不　受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入　端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作，当对直流电机进行ＰＷＭ调　速时，ＰＷＭ波可以直接输入使能端引脚。电路原理图如图３所示。　图３电路原理图　图４电路原理图　２．４无线收发部分　ｎＲＦ２４Ｌ０１是一款新型单片射频收发器件，工作于２．４ＧＨｚ￣２．５ＧＨｚ　ＩＳＭ频段。ｎＲＦ２４Ｌ０１功耗低，在以一６ｄＢｍ的功率发射时，工作电流也只　有９ｍＡ；接收时，工作电流只有１２．３ｍＡ，多种低功率工作模式，工作在　１００ｍｗ时电流为１６０ｍＡ，在数据传输方面实现相对ＷｉＦｉ距离更远，　电子曲　界·１２１·　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　Ｗ０ＲＬＤ·技术交流　但传输数据量不￣ＮＷｉＦｉ（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方　便。正是由于其远距离、低功耗的传输特点，笔者在系统组成中选　择该模块。其电路原理图如图４示。　３软件设计　３．１工作原理　主机部分主要是接收到从机发送的数据后，通过线性变换将角度　值转化为电压值，同时Ａ／Ｄ转化模块测量出此刻帆板的电压值，并和　输入值做差送入ＰＩＤ算法中，经过ＰＩＤ算法后将得出风机的ＰＷＭ波的　占空比，此时就将此ＰＷＭ波送入电机驱动中控制风机转速。此后就是　不断地检测帆板角度，然后与预期值相减，差值送入ＰＩＤ算法中，实　时的调节风速，最终达到指定角度。程序流程图如图５所示。　图５程序流程图　３．２　ＰＩＤ算法原理及设计　增量式ＰＩＤ每次只输出控制量的增量，所以在一些安全性和稳　定性要求较高的场合使用增量式ＰＩＤ算法较好［４】。相比较于位置式　ＰＩＤ采用全量输出，输出的是执行机构的实际位置，每次输出均与　过去状态有关，对于系统长时间工作是难以预测系统状态的，所以　本系统采用增量式ＰＩＤ算法。增量ＰＩＤ算法公式如下所示［５］：　以下是对ＰＩＤ算法逐项的分析，其中　＝　、　＝菩、　＝兰　分别为比例系数、积分系数和微分系数，并在ＭＡＴＬＡＢ上进行了测试：　增量式ＰＩＤ算法中比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误　差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会　引起系统的不稳定。比例控制是一种最简单的控制方式。其控制的　输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出会存　在稳态误差。不同比例系数　下，受控变数对时间的变化（　和』　维持定值）如图６所示。　只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，　·１２２·电子也，Ｉ　以消除误差。所以在帆板控制中，风扇转速控制中须引入积分项。积　分项对误差取决于对时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。　这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它的增大　使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例＋积分（ＰＩ１控制，可　以使帆板控制系统在进入稳态后无稳态误差。不同积分系数　下，受　控变数对时间的变化（　和　维持定值）如图７所示。　一Ｒｅｋ悖ｎｃ０　一Ｋ＝ｎ５　一ｔ＝ｔｌ　·＿一Ｋ＝ｉ６　厂＼　ｌ　／＼，　、　～　一　＼｛　一　也　Ｉ　２　５　４　§　７　ｅ　量ｌＯ　ｊ　图６不同比例系数　下受控变数对时间的变化　图７不同积分系数　下，受控变数对时间的变化　图８不同微分增益　下受控变数对时间的变化　微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高　ＥＬＥＣＴＲＯＮｌＣＳ　ＷＯＲＬＤ·　同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态　性能。微分项能预测误差变化的趋势，具有比例＋微分的控制器，就　能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被　５结柬语　增量式ＰＩＤ算法在自动化控制领域中起着非常重要的作用。本　文简单分析了ＰＩＤ算法的原理并完成了基于增量式ＰＩＤ算法的智能　帆板系统的研究与设计，最终系统设计具有精度高，结构简单，可　实现性好和对距离参数变化适应性强的特点。　控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例＋微分　（ＰＤ）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。不同微分增益　下，受控变数对时间的变化（　和　维持定值）如图８所示。　４测试结果　参考文献　测试ＰＩＤ系数分别设定为Ｋｐ＝Ｏ．３、Ｋｉ＝０．２５、Ｋｄ＝２．０，风扇分别　距离帆板５厘米、ｌ０厘米，将帆板角度设置为ｌ５。、２Ｏ。、３Ｏ。、　４５。、５０。、６０。进行测试，在５厘米、１０厘米步进值下的测试数　据如表１所示：　表１　５厘米、１　０厘米步进值下的测试数据　键盘设定角度（单　液晶显示角度（单　位：【１】乔之勇，王荣海．基于ＡＴ８９Ｓ５２的帆板控制系统［ｙ］．兵工自动　化，２０１３，３２（０２）：８８—９０＋９６．　实际测量角度（单位：。）　５厘米步进值下的　１Ｏ厘米步进值下的　测试数据　１６　。）　位：。）　１５　［２］吴清，许云峰．小电流接地选线装置选线准确率低的原因分析　及提高选线准确率的方法Ｕ１．电力设备，２００７，８（１１）：１１－１３．　『３１薛永端，冯祖仁，徐丙垠．中性点非直接接地电网单相接地故障　暂态特征分析卟西安交通大学学报，２００４，３８（２）：１９５－１９９．　［４】吴强，韩震宇，李程．基于增量式ＰＩＤ算法的无刷直流电机ＰＷＭ　调速研究【Ｉ１＿机电工程技术，２０１３，４２（０３）：６３－６５．　测试数据　ｌ５．５　ｌ５　［５１文波，孟令军，张晓眷，韩朝辉，赵盼盼．基于增量式ＰＩＤ算法的水　温自动控制器设计Ｕ］．仪表技术与传感器，２０１５（１２）：１１３－１１６．　作者简介：　２０　３０　４５　２０　３０　４５　２０．８　３０．５　４５　２Ｏ．２　３０　４４．５　５０　６０　５０　６０　４９．３　５９　４９．２　５９　由表１中测量得到的实际数据可以得出我们设计的系统精度保　持在±１ｏ的水平，实现了高精度帆板系统设计指标要求。　郭俊葳（１９９７一），男，河南驻马店人，大学本科，现就读于　成都理工大学。　周磊（１９９７～）。男，江苏扬州人，大学本科，现就读于成都　理工大学。　（上接第１１８页）　５总结　本文根据物联网中节点间数据传输交换的需求，设计了一个　研究与实现ｏ１．计算机测量与控制，２０１６，２４（５）：１１７—１１９，１２３．　［２］赖华尧，黄凤辰，花再军，陈钊．基于３Ｇ的地铁ＭＶＢ数据传输的　双通道设计田．工业控制计算杌，２０１７，３０（５）：６—８．　［３］联发科．发布芯片Ｍ１ｒ７６２８布局智能家庭Ｄ】吨视技术，２０１４，３８（２０）：４７．　点对点远程数据传输，设置中转ＴＣＰ服务器，ＴｃＰ服务器得到来自　ＭＴ７６２８的ＴＣＰ客户端消息，把消息转发到电脑的ＴＣＰ客户端；电脑　中ＴＣＰ客户端的控制消息发到ＴＣＰ服务端，ＴＣＰＪ］［￣务端把消息转发　到ＭＴ７６２８的ＴＣＰ客户端，完成点对点远程数据传输控制。　参考文献　作者简介：　王建（１９６８一），男，湖北武汉人，博士，副教授，研究领　域：光电信息控制与处理。　【１】曹旭东，薛大欢，何得平．基ｑ－ＴＤ—ＬＴＥ的智慧油田测控系统的　（上接第１２０页）　表１各网络节点间通信结果表　到网关。同时，多网物联网关在许多应用领域，如智能医疗、智能家　居等行业，有着良好的使用价值和市场推广价值。　参考文献　［１】关勇．物联网行业发展分析网［Ｄ】．北京邮电大学，２０１０．　【２１高长艳．嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ协议的研究与实现【Ｄ］．长春：中国科学　８结柬语　本文以物联网网关为应用背景，根据了ＴＣＰ／ＩＰ协议传网络、ＣＡＮ　院长春精密机械与物理研究所，２００５：１—２．　［３１宋宝华．Ｌｉｎｕｘ￣备驱动开发详解［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００８：　２４８－２５７．　总线网络ｚｉｇｂｅｅ网络的传输方式，整合了这三种网络数据交互的方　式，并阐述了ＡＲＭ．１ｉｎｕｘ平台中对网关程序的设计。互联网以ＴＣＰ／ＩＰ　协议传输数据，而设备互联需要以适合的方式传输到能和互联网连接　的网关。如果设备是以有线的方式传输数据，以ＣＡＮ总线网络连接网　关为宜，若设备是以无线方式传输数据，则利用ｚｉ　ｅｅ组网传输数据　ｆ４１张威．Ｌｉｎｕｘ络编程教［Ｍ］，北京希望电子出版社，２００２，６．　［５】饶运涛，邹继军，郑勇芸现场总线ＣＡＮ原理与应用技术［Ｍ】．北　京：北京航空航天大学出版社，２００３．　［６１王风．基于ｃｃ２５３Ｏ的ｚｉ曲ｅｅ无线传感器网络的设计与实现［Ｄ】．　西安：西安电子科技大学，２０１２：２－３０．　电寻·懂再·１２３·