基于雙閉環控制的風帆控制系統設計

湖南鐵道職業技術學院 劉 彤 陳新喜

基于雙閉環控制的風帆控制系統設計

湖南鐵道職業技術學院 劉 彤 陳新喜

本文構建了以單片機為核心，PWM驅動直流電機，角度傳感器測量角度，增量PID調節PWM，風板角度的動態控制系統，提出轉速和角度雙閉環控制控制方法，給出了測量實驗數據，滿足了對風板角度控制的要求。

風板控制；單片機；雙閉環控制；增量PID

0　引言

風板控制裝置是2015年全國大學生電子設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）預置風板控制角度（控制角度在45°～135°之間設定）。由起點開始啟動裝置，控制風板達到預置角度過渡程時間不大于 10s，控制角度誤差不大于5°，在預置角度上的穩定停留時間為5s，誤差不大于1s。動作完成后風板平穩停留在終點位置上。

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

（3）顯示風板設置的控制角度。風板從一個狀態轉變到另一個狀態時應有明顯的聲光提示。

發揮部分要求增加重量為10g砝碼，用小長金屬夾整體夾在風板對應位置上，完成基本要求的功能。

本文根據題目要求，以單片機為核心，設計控制系統，完成對風板角度的控制。

1. 系統方案設計

分析題目可知，本題目通過控制兩個風機的風量來控制風板，完成規定動作，涉及電機驅動、角度檢測、閉環控制、AD 轉換等單片機應用技術。系統由單片機控制電路、人機交互模塊、風機驅動模塊、角度檢測模塊、聲光報警模塊、系統電源6 大模塊構成，系統框圖如圖2所示。

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

圖2 風板控制系統結構框圖

圖3 系統控制電路原理圖

2. 主要電路設計

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。內部集成專用復位電路，2路PWM輸出，8路高速10位A/D轉換，適合電機控制，強干擾場合應用［2］。24C02內部具有256字節的數據存儲空間，可以用來保存系統各種控制參數。

2.2電機驅動電路

電機驅動分別驅動風板兩側的的直流電機，接受單片機控制信號，采用光耦隔離。電機驅動采用兩片LMD18200實現，LMD18200是專用于運動控制的H橋組件，連續輸出電流達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，就可以驅動直流電機按照指定方向和轉速旋轉，同時，輸出電機部分設計了保護電路和抗干擾電路，進一步保護驅動電路和器件。電路原理圖如圖4所示。

圖4 直流電機驅動原理圖

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/數轉換，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，廣泛應用在工業控制領域。A/D轉換器采用AD8341，4通道A/D轉換，轉換速率大于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

傳感器與風板同軸安裝，角度變化，輸出電壓變化，經過運放LM358跟隨輸入A/D轉換器AD8341，AD8341通過SPI接口送數據給單片機，完成角度測量。

3. 軟件設計

系統功能主要是完成對風板角度的控制，利用單片機、PWM、電機、風板和傳感器構成閉環控制系統，系統各個環節都可能產生干擾，是系統不穩定，所以，采用數字濾波增強抗干擾能力，雙閉環控制增強系統穩定性。

3.1數字濾波

在系統控制過程中，傳感器與風板同軸安裝，各個測量環節硬件電路和機械結構都存在電磁、濾波、噪音的干擾，影響數據的準確性；結合軟件數字濾波算法［4］，可以增強系統的抗干擾性，提高采集數據的穩定性。數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，得到穩定的角度值。

3.2閉環控制

系統主要控制對象是角度控制，包含精度控制和穩定性控制兩個方面。系統采用雙閉環控制，內環是對電機轉速的控制，因為不管是什么角度，最終反映到電機就是轉速問題，決定風量的大小，同樣環境下，轉速穩定保證風量穩定，保證風板角度穩定，解決穩定性問題，另外速度環，還可以提高系統快速性。外環控制是角度控制［5］，角度采集作為反饋量，經過數字增量PID調節，輸出角度誤差作為速度環的一個輸入，與速度反饋疊加，調節PWM驅動的占空比，保證角度的準確性，如圖6所示。

圖6 系統閉環控制框圖

4. 系統實驗與測試

系統按照要求進行了基本功能測試和發揮功能測試，角度數據從45度～135度，測量角度和時間，基本功能不帶砝碼，發揮功能帶10克砝碼，測量數據如表1所示。

表1 系統測試數據

從測量數據可以看出，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，穩定時間更短，加砝碼時，增加了系統的不穩定性，精度滿足要求，穩定時間變長。

5. 結論

本系統主要實現對風板角度的控制，采用了以單片機為核心的PWM驅動技術、數字增量PID調節技術，通過速度和角度雙閉環控制，增加了系統的測量精度和穩定性，從測試數據可以看出，系統設計滿足對角度控制的要求，運行可靠、穩定。

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

［2］黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程［M］.北京：電子工業出版社，2009.

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

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

［5］李莉，曹紅英.基于單片機的風板控制裝置設計與實現［J］.工業控制計算機，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，工學碩士，講師，主要研究領域：控制理論與控制工程。

基金支持：2016年湖南鐵道職業技術學院校級課題（課題編號：K201609）。