基于PID控制器的滾球控制系統設計與制作

李世甲，萬 超，李海龍，藺瑞英

0 引言

2017年全國大學生電子設計競賽本科組B題要求設計制作一滾球控制系統，在邊長為65 cm光滑正方形平板上均勻分布9個外徑3 cm的圓形區域，其編號為1-9號（從左至右依次排列），如圖1所示。系統通過控制平板的傾斜，使直徑不大于2.5 cm的小球能夠按照指定的要求在平板上完成動作，并從動作開始計時且顯示時間。要實現的基本要求如下：（1）在15 s內，控制小球從區域1進入區域5，在區域5停留不少于2 s.（2）控制小球從區域1進入區域4，在區域4停留不少于2 s，然后再進入區域5，小球在區域5停留不少于2 s.完成以上兩個動作總時間不超過20 s.（3）在30 s內，控制小球從區域1進入區域9，且在區域9停留不少于2 s.

圖1 平板位置分布示意圖

本文研究的滾球控制系統在實現競賽題目要求的同時，可用于《機械電子工程專業導論》《機械控制工程基礎》《單片機原理及應用》等課程的實驗教學，或作為學生課外科技作品制作范例，提升學生專業知識學習興趣。

1 滾球控制系統設計

1.1 系統結構設計

根據要求，測控系統要使小球按照一定規律運動。本文通過切換6個啟動、復位按鍵實現3個題目要求的動作并在LCD液晶屏顯示動作時間。完成相應的控制任務，關鍵在于反饋信息的準確性和對步進電機的控制，為此將系統分為五個模塊，系統整體方案框如圖2所示。

圖2 系統整體框圖

1.2 控制器模塊

控制器是整個控制系統的核心，承載著執行控制算法，實現控制功能的作用。對于89C52單片機，原理簡單，成本低，綜合考慮后選擇其作為本控制系統控制器模塊[1]。

1.3 位置檢測模塊

由于購買的Chihod紅外線光電傳感器，最大測量范圍為30 cm，經測試及計算，其布置方式如圖3所示。S2和區域1的中心距距離為4 cm.

圖3 傳感器布置圖

1.4 動力裝置

動力裝置作為本控制系統中的執行機構，其提供的動力是否充足、可調性是否優良直接決定能否完成控制任務和控制質量的高低。在考慮了成本、體積、時效性等因素的基礎上選擇了28BYJ-48型步進電機，利用步進電機的正反轉控制木板翻轉。

1.5 外圍輔助模塊

本系統中的外圍輔助模塊，主要是指與對滾球的控制不起直接作用的功能調用模塊（按鍵）、顯示模塊（LCD1602液晶）、聲光提示模塊、數字式可調電源。

1.6 機械結構設計

系統的機械結構設計如圖4所示。平板1中間放置于萬向節3之上，萬向節3通過立柱4與底盤7相連接，平板1可在萬向節3之上360°擺動；電機5、6安裝在立柱上，同步帶2兩端系在平板1的孔內，并通過帶輪及聯軸器與電機5、6末端相連，通過電機的正反轉，可調節平板1的左右傾斜，通過電機5、6的聯動，可實現平板1的45°傾斜。光電模塊8安裝在平板1上，檢測小球通過的時間，并向控制系統反饋，從而改變電機轉速，用以控制小球速度。通過調節電機的轉速[2]，實現平板的翻轉，通過平板的翻轉速度及角度，使小球按預設軌道運動，實現不同運動軌跡。制作的滾球控制系統實物如圖5所示。

圖4 系統機械結構示意圖

圖5 滾球控制系統實物圖

2 控制策略

2.1 PID控制

PID控制是將偏差的比例、積分和微分三者通過組合構成控制量。比例調節規律依據“偏差的大小”來動作，它的輸出變化量與輸人偏差成比例，調節平穩，作用及時，能有效地克服各種干擾，是最基本的調節規律，它的缺點是不能消除余差，因此只能用于那些對被調參數精度要求不高的場合。常用比例度Kp表示比例調節作用的強弱。Kp越小，表示比例增益越大，比例調節作用越強。同時，Kp越小，被調參數余差也越小，但調節系統穩定性下降。常規的PID控制系統原理框圖如圖6所示[3]。

圖6 PID控制系統原理圖

2.2 控制系統實現

根據以上要求和PID原理，設計的滾球控制系統各部分的關系如圖7所示。單片機資源分配如圖8所示，LCD接線如圖9所示。LCD1602引腳連接方式如下：數據位D0～D7分別接單片機p0～p7，數據處理位 RS、RW、E 分別接單片機 p2.5～2.7，引腳 1（GND）和 16（K）接地，引腳 2（VCC）和 15（A）接電源正極。

圖7 控制系統示意圖

圖8 單片機資源分配圖

3 結論

所設計的控制系統經測試，可在規定時間內完成小球從1區進入5區；從1區進入4區，停留后進入5區；小球從1區進入9區并停留。但是，誤差及穩定性較差，原因是：（1）滾球控制系統機械結構受制作工藝所限，其剛度及穩定性較差；（2）采用的控制方法過于簡單，控制不夠精確；（3）板材及小球的材質匹配不夠優化。

[1]朱玉紅，林小軍.單片機原理與接口技術[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2]湯蘊璆.電機學[M].5版.北京：機械工業出版社，2014.

[3]彭珍瑞，董海棠.控制工程基礎[M].2版.北京：高等教育出版社，2015.