基于增量PID算法的智能帆板系統(tǒng)

成都理工大學(xué) 郭俊葳 周 磊

0 引言

隨著控制技術(shù)、制造技術(shù)等的不斷發(fā)展，帆板控制系統(tǒng)正向數(shù)字化、智能化、高性能的方向發(fā)展[1]。高精度、高穩(wěn)定性的角度控制系統(tǒng)的指標(biāo)已經(jīng)成為諸如太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等項目工程的主要指標(biāo)。

筆者所做的基于增量PID算法的智能帆板系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是利用簡單易獲取的STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了帆板旋轉(zhuǎn)角度以及直流風(fēng)扇的風(fēng)力的控制，并有著較好的精度和穩(wěn)定性。

1 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)由主機(jī)和從機(jī)組成。主機(jī)以STC89C52單片機(jī)為核心，由STC89C52、A/D轉(zhuǎn)換、L28N電機(jī)驅(qū)動、角度檢測系統(tǒng)、基于增量式PID帆板的角度控制系統(tǒng)、串行通信等模塊組成，具有角度調(diào)整、角度控制、與從機(jī)通信等功能[2]；從機(jī)則以STC89C52單片機(jī)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(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時顯示帆板角度、角度設(shè)定及與主機(jī)通信等功能[3]。

2 硬件設(shè)計

2.1 主機(jī)設(shè)備

主機(jī)設(shè)備是由STC89C52單片機(jī)、復(fù)位電路、電源電路和晶振電路組成基礎(chǔ)的系統(tǒng)，加入L298N、NRF24L01、電位器等外設(shè)模塊。通過A/D轉(zhuǎn)化模塊將電位器兩端模擬信號電壓值映射為當(dāng)前帆板的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而得出帆板角度值與電位器兩端電壓值的映射關(guān)系及線性變化情況，再通過調(diào)試好的增量式PID算法得出直流電機(jī)轉(zhuǎn)速所須的增減量，以實(shí)現(xiàn)精確控制角度。主機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

圖1 主機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖

2.2 從機(jī)設(shè)備

從機(jī)設(shè)備由STC89C52單片機(jī)、復(fù)位電路、鍵盤、電源電路和晶振電路組成的最小系統(tǒng)，包括4*4矩陣鍵盤，通過鍵盤輸入指定的角度數(shù)值，再由NRF24L01無線模塊將角度數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對帆板主機(jī)的遠(yuǎn)程操作。從機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 從機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動部分

此系統(tǒng)中我們選用了L298N電機(jī)驅(qū)動模塊。因?yàn)樵撔酒瑑?nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)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(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作，當(dāng)對直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)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(fā)部分

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)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(shù)據(jù)傳輸方面實(shí)現(xiàn)相對WiFi距離更遠(yuǎn)，但傳輸數(shù)據(jù)量不如WiFi（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便。正是由于其遠(yuǎn)距離、低功耗的傳輸特點(diǎn)，筆者在系統(tǒng)組成中選擇該模塊。其電路原理圖如圖4示。

3 軟件設(shè)計

3.1 工作原理

主機(jī)部分主要是接收到從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過線性變換將角度值轉(zhuǎn)化為電壓值，同時A/D轉(zhuǎn)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(jīng)過PID算法后將得出風(fēng)機(jī)的PWM波的占空比，此時就將此PWM波送入電機(jī)驅(qū)動中控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此后就是不斷地檢測帆板角度，然后與預(yù)期值相減，差值送入PID算法中，實(shí)時的調(diào)節(jié)風(fēng)速，最終達(dá)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(shè)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(wěn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，對于系統(tǒng)長時間工作是難以預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài)的，所以本系統(tǒng)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(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，并在MATLAB上進(jìn)行了測試：

增量式PID算法中比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)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(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出會存在穩(wěn)態(tài)誤差。不同比例系數(shù)KP下，受控變數(shù)對時間的變化（KI和KD維持定值）如圖6所示。

只要系統(tǒng)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(fēng)扇轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。不同積分系數(shù)KI下，受控變數(shù)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(shù)KP下受控變數(shù)對時間的變化

圖7 不同積分系數(shù)KI 下，受控變數(shù)對時間的變化

圖8 不同微分增益KD下受控變數(shù)對時間的變化

微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分項能預(yù)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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。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(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。不同微分增益KD下，受控變數(shù)對時間的變化（KP和KI維持定值）如圖8所示。

4 測試結(jié)果

測試PID系數(shù)分別設(shè)定為Kp=0.3、Ki=0.25、Kd=2.0，風(fēng)扇分別距離帆板5厘米、10厘米，將帆板角度設(shè)置為15°、20°、30°、45°、50°、60°進(jìn)行測試，在5 厘米、10厘米步進(jìn)值下的測試數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 5厘米、10厘米步進(jìn)值下的測試數(shù)據(jù)

由表1中測量得到的實(shí)際數(shù)據(jù)可以得出我們設(shè)計的系統(tǒng)精度保持在±1°的水平，實(shí)現(xiàn)了高精度帆板系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

增量式PID算法在自動化控制領(lǐng)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(tǒng)的研究與設(shè)計，最終系統(tǒng)設(shè)計具有精度高，結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)性好和對距離參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

[1]喬之勇,王榮海.基于AT89S52的帆板控制系統(tǒng)[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(zhǔn)確率低的原因分析及提高選線準(zhǔn)確率的方法[J].電力設(shè)備,2007,8(11):11-13．

[3]薛永端,馮祖仁,徐丙垠.中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)單相接地故障暫態(tài)特征分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2004,38(2):195-199．

[4]吳強(qiáng),韓震宇,李程.基于增量式PID算法的無刷直流電機(jī)PWM調(diào)速研究[J].機(jī)電工程技術(shù),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(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(12):113-116.