风力摆pid调节_风力摆控制系统_风力摆系统结构图解
风力摆系统是一种利用风力对物体进行位置控制的设备，在我国虽然还没有成品的销售与应用，但这种控制理论已经应用于方方面面。目前的普遍问题风力摆系统的自动控制水平不高。
1、基于at89s52，驱动电路l298n的风力摆控制系统 系统由五部分构成，分别是控制器at89s52，驱动电路l298n，风力摆运动部件，摆角度检测电路、人机交互键盘和lcd显示器。
1.1 at89s52控制器
at89s52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在线可编程flash存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，时钟频率、存储空间和基本接口完全可以满足系统控制要求。
1.2 l298n直流风机驱动
l298n是一款高输入电压，具有双h桥大电流输出驱动的集成电路，输入信号兼容ttl电平，输入电压最大46v，输出直流电流最大4a，可以驱动直流电机、步进电机或继电器等执行机构。它具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许器件控制两路输入信号，所以使用一片l298n芯片可以驱动两台直流电机。通过输入pwm脉冲，控制加在直流电机上的平均电压，从而达到控制风机转速［1］。
1.3 mpu6050三维角度传感器
mpu是一款6轴运动检测传感器，包括三轴陀螺仪角速度检测，利用内部16位a/d转换器可以实现检测x、y、z轴在±250°、±500°、±1000°与±2000°/s数字量可控输出，三轴加速度检测可以实现±2g，±4g，±8g和±16g范围测量，利用16位a/d转换器输出相应数字量。另外芯片内部集成一个数字运动处理器dmp完成三维运动数据处理或运动姿态识别。
将mpu6050固定在风力摆上，通过它监测摆的角度，同时将采集的数据送给控制器进行处理。mpu6050构成的角度监测电路如图2。
1.4 lcd液晶显示电路
系统采用12864lcd，用于显示角度、幅度等参数，为了节省单片机i/o口资源，lcd选择串行通信方式完成信息传递。
1.5 按键电路
为了能够对风力摆运动的模式、距离和偏转角度等参数进行设定，同时考虑电路简洁，选择独立式结构的五个键组成按键电路，分别接到单片机的i/o口上。
2、风力摆控制算法 由于风力摆是在运动状态下控制器不断地采集姿态数据并进行判断，然后控制风机对摆的运动轨迹做出修正。这是一种典型的随动系统，由于控制对象的准确数学模型建立较为困难所以采用数字pid控制算法。
pid算法
pid算法就是对偏差的比例（p）、积分（i）和微分（d）进行控制的调节算法［3］。数字化的pid算法如（1）。
［uk=kpek+ttij=0kej+tdtek-ek-1］ （1）
其中uk是控制量，e（k）是控制偏差，kp是比例系数，t是系统采样周期，ti是积分时间，td是微分时间。
由于风力摆的实时性要求较高，要能够迅速对摆的运动做出响应，所以除了比例调节外，必须要有微分调节，由于积分调节过程会增加调节时间，所以算法利用pd调节器进行偏差计算得到控制量。
［e=set_angle-cur_angle］
其中e是摆的偏差，set_angle是摆的设定角度，cur_angle是采集到当前摆的角度。
［u=kpek+tdtek-ek-1=kpek+kd？ek］ （2）
其中kd是微分系数。通过上述算法式计算出控制量u（最后将控制量转变为pwm），利用计算出的pwm控制量控制风机速度，同时反复调整kp和kd值使控制系统运动性能符合要求。
3、结论 实验结果表明，通过反复测试和调整pd调节器参数，风机可控制摆做指定长度直线运动、指定角度直线运动和指定半径的圆周运动，在稳定性、准确性和快速性上能够达到设计要求。
基于stm32的风力摆系统结构图
本系统由微处理器stm32，直流风机及驱动，惯性测量单元mpu6050，oled显示，4x4矩阵键盘，蜂鸣器构成。系统运行可分为两部分：风力摆的控制部分和预设值输入与显示部分。风力摆控制是由stm32定时器输出频率，占空比可调的pwm波经驱动模块之后，使直流风机的转数与pwm波占空比成线性关系，以此达到控制风力摆摆动的目的。预设值输入与显示是通过矩阵键盘将预设值输入到微处理器。再由处理器将数据送至oled上显示。mpu6050的三轴加速度数据和三轴角速度数据，经mcu解算之后得到风力摆摆角，形成信号反馈回路。组成闭环控制系统。控制算法为pi调节。
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1.1 at89s52控制器
at89s52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在线可编程flash存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，时钟频率、存储空间和基本接口完全可以满足系统控制要求。
1.2 l298n直流风机驱动
l298n是一款高输入电压，具有双h桥大电流输出驱动的集成电路，输入信号兼容ttl电平，输入电压最大46v，输出直流电流最大4a，可以驱动直流电机、步进电机或继电器等执行机构。它具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许器件控制两路输入信号，所以使用一片l298n芯片可以驱动两台直流电机。通过输入pwm脉冲，控制加在直流电机上的平均电压，从而达到控制风机转速［1］。
1.3 mpu6050三维角度传感器
mpu是一款6轴运动检测传感器，包括三轴陀螺仪角速度检测，利用内部16位a/d转换器可以实现检测x、y、z轴在±250°、±500°、±1000°与±2000°/s数字量可控输出，三轴加速度检测可以实现±2g，±4g，±8g和±16g范围测量，利用16位a/d转换器输出相应数字量。另外芯片内部集成一个数字运动处理器dmp完成三维运动数据处理或运动姿态识别。
将mpu6050固定在风力摆上，通过它监测摆的角度，同时将采集的数据送给控制器进行处理。mpu6050构成的角度监测电路如图2。
1.4 lcd液晶显示电路
系统采用12864lcd，用于显示角度、幅度等参数，为了节省单片机i/o口资源，lcd选择串行通信方式完成信息传递。
1.5 按键电路
为了能够对风力摆运动的模式、距离和偏转角度等参数进行设定，同时考虑电路简洁，选择独立式结构的五个键组成按键电路，分别接到单片机的i/o口上。
2、风力摆控制算法 由于风力摆是在运动状态下控制器不断地采集姿态数据并进行判断，然后控制风机对摆的运动轨迹做出修正。这是一种典型的随动系统，由于控制对象的准确数学模型建立较为困难所以采用数字pid控制算法。
pid算法
pid算法就是对偏差的比例（p）、积分（i）和微分（d）进行控制的调节算法［3］。数字化的pid算法如（1）。
［uk=kpek+ttij=0kej+tdtek-ek-1］ （1）
其中uk是控制量，e（k）是控制偏差，kp是比例系数，t是系统采样周期，ti是积分时间，td是微分时间。
由于风力摆的实时性要求较高，要能够迅速对摆的运动做出响应，所以除了比例调节外，必须要有微分调节，由于积分调节过程会增加调节时间，所以算法利用pd调节器进行偏差计算得到控制量。
［e=set_angle-cur_angle］
其中e是摆的偏差，set_angle是摆的设定角度，cur_angle是采集到当前摆的角度。
［u=kpek+tdtek-ek-1=kpek+kd？ek］ （2）
其中kd是微分系数。通过上述算法式计算出控制量u（最后将控制量转变为pwm），利用计算出的pwm控制量控制风机速度，同时反复调整kp和kd值使控制系统运动性能符合要求。
3、结论 实验结果表明，通过反复测试和调整pd调节器参数，风机可控制摆做指定长度直线运动、指定角度直线运动和指定半径的圆周运动，在稳定性、准确性和快速性上能够达到设计要求。
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