基于增量PID算法的智能帆板系統

成都理工大學 郭俊葳 周 磊

0 引言

隨著控制技術、制造技術等的不斷發展，帆板控制系統正向數字化、智能化、高性能的方向發展[1]。高精度、高穩定性的角度控制系統的指標已經成為諸如太陽能發電、風力發電等項目工程的主要指標。

筆者所做的基于增量PID算法的智能帆板系統，其優點是利用簡單易獲取的STC89C52單片機實現了帆板旋轉角度以及直流風扇的風力的控制，并有著較好的精度和穩定性。

1 總體設計方案

系統由主機和從機組成。主機以STC89C52單片機為核心，由STC89C52、A/D轉換、L28N電機驅動、角度檢測系統、基于增量式PID帆板的角度控制系統、串行通信等模塊組成，具有角度調整、角度控制、與從機通信等功能[2]；從機則以STC89C52單片機為核心，由STC89C52、無線射頻、4*4矩陣鍵盤、液晶顯示、串行通信等模塊組成，從機負責實時顯示帆板角度、角度設定及與主機通信等功能[3]。

2 硬件設計

2.1 主機設備

主機設備是由STC89C52單片機、復位電路、電源電路和晶振電路組成基礎的系統，加入L298N、NRF24L01、電位器等外設模塊。通過A/D轉化模塊將電位器兩端模擬信號電壓值映射為當前帆板的旋轉角度，進而得出帆板角度值與電位器兩端電壓值的映射關系及線性變化情況，再通過調試好的增量式PID算法得出直流電機轉速所須的增減量，以實現精確控制角度。主機控制系統組成框圖如圖1所示：

圖1 主機控制系統組成框圖

2.2 從機設備

從機設備由STC89C52單片機、復位電路、鍵盤、電源電路和晶振電路組成的最小系統，包括4*4矩陣鍵盤，通過鍵盤輸入指定的角度數值，再由NRF24L01無線模塊將角度數據發送至主機響應，實現對帆板主機的遠程操作。從機控制系統組成框圖如圖2所示。

圖2 從機控制系統組成框圖

2.3 電機驅動部分

此系統中我們選用了L298N電機驅動模塊。因為該芯片內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；并且其具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作，當對直流電機進行PWM調速時，PWM波可以直接輸入使能端引腳。電路原理圖如圖3所示。

圖3 電路原理圖

圖4 電路原理圖

2.4 無線收發部分

nRF24L01是一款新型單片射頻收發器件，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發射時，工作電流也只有9mA；接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式，工作在100mw時電流為160mA，在數據傳輸方面實現相對WiFi距離更遠，但傳輸數據量不如WiFi（掉電模式和空閑模式）使節能設計更方便。正是由于其遠距離、低功耗的傳輸特點，筆者在系統組成中選擇該模塊。其電路原理圖如圖4示。

3 軟件設計

3.1 工作原理

主機部分主要是接收到從機發送的數據后，通過線性變換將角度值轉化為電壓值，同時A/D轉化模塊測量出此刻帆板的電壓值，并和輸入值做差送入PID算法中，經過PID算法后將得出風機的PWM波的占空比，此時就將此PWM波送入電機驅動中控制風機轉速。此后就是不斷地檢測帆板角度，然后與預期值相減，差值送入PID算法中，實時的調節風速，最終達到指定角度。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3.2 PID算法原理及設計

增量式PID每次只輸出控制量的增量，所以在一些安全性和穩定性要求較高的場合使用增量式PID算法較好[4]。相比較于位置式PID采用全量輸出，輸出的是執行機構的實際位置，每次輸出均與過去狀態有關，對于系統長時間工作是難以預測系統狀態的，所以本系統采用增量式PID算法。增量PID算法公式如下所示[5]：

以下是對PID算法逐項的分析，其中分別為比例系數、積分系數和微分系數，并在MATLAB上進行了測試：

增量式PID算法中比例控制能迅速反應誤差，從而減小穩態誤差。但是，比例控制不能消除穩態誤差。比例放大系數的加大，會引起系統的不穩定。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出會存在穩態誤差。不同比例系數KP下，受控變數對時間的變化（KI和KD維持定值）如圖6所示。

只要系統有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。所以在帆板控制中，風扇轉速控制中須引入積分項。積分項對誤差取決于對時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它的增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制，可以使帆板控制系統在進入穩態后無穩態誤差。不同積分系數KI下，受控變數對時間的變化（KP和KD維持定值）如圖7所示。

圖6 不同比例系數KP下受控變數對時間的變化

圖7 不同積分系數KI 下，受控變數對時間的變化

圖8 不同微分增益KD下受控變數對時間的變化

微分控制可以減小超調量，克服振蕩，使系統的穩定性提高，同時加快系統的動態響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態性能。微分項能預測誤差變化的趨勢，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。不同微分增益KD下，受控變數對時間的變化（KP和KI維持定值）如圖8所示。

4 測試結果

測試PID系數分別設定為Kp=0.3、Ki=0.25、Kd=2.0，風扇分別距離帆板5厘米、10厘米，將帆板角度設置為15°、20°、30°、45°、50°、60°進行測試，在5 厘米、10厘米步進值下的測試數據如表1所示：

表1 5厘米、10厘米步進值下的測試數據

由表1中測量得到的實際數據可以得出我們設計的系統精度保持在±1°的水平，實現了高精度帆板系統設計指標要求。

5 結束語

增量式PID算法在自動化控制領域中起著非常重要的作用。本文簡單分析了PID算法的原理并完成了基于增量式PID算法的智能帆板系統的研究與設計，最終系統設計具有精度高，結構簡單，可實現性好和對距離參數變化適應性強的特點。

[1]喬之勇,王榮海.基于AT89S52的帆板控制系統[J].兵工自動化,2013,32(02):88-90+96.

[2]吳清,許云峰.小電流接地選線裝置選線準確率低的原因分析及提高選線準確率的方法[J].電力設備,2007,8(11):11-13．

[3]薛永端,馮祖仁,徐丙垠.中性點非直接接地電網單相接地故障暫態特征分析[J].西安交通大學學報,2004,38(2):195-199．

[4]吳強,韓震宇,李程.基于增量式PID算法的無刷直流電機PWM調速研究[J].機電工程技術,2013,42(03):63-65.

[5]文波,孟令軍,張曉春,韓朝輝,趙盼盼.基于增量式PID算法的水溫自動控制器設計[J].儀表技術與傳感器,2015(12):113-116.