基于雙PID的風板控制系統的設計與實現

田德永

（貴州職業技術學院信息工程學院，貴州貴陽，550024）

基于雙PID的風板控制系統的設計與實現

田德永

（貴州職業技術學院信息工程學院，貴州貴陽，550024）

設計了一種風板控制系統，該系統采用增量式雙PID算法，采用STC單片機作為控制核心，用重力加速度傳感器實時采集風板角度，利用單片機的PWM信號調節風機速度，控制風板運動軌跡，最終使風板平穩達到規定的動作。

風板控制； PWM；雙PID

0　引言

本設計源于2015 年全國大學生電子設計大賽高職組控制類題目，要求設計并制作一種風板控制系統，通過控制風機的風速來控制風板完成規定動作，并能發出相應的聲光提示。風板具體動作要求，可參考競賽題目《風板控制裝置》。

1　系統方案的設計

本系統采以控制模塊為核心，運用雙PID算法，并利用控制模塊產生兩路PWM信號，提供給兩個風機驅動模塊。輔助電路由角度測量模塊、按鍵模塊、顯示模塊、左右風機驅動模塊、聲光提示模塊等組成。通過按鍵的操作設定風板的預置角度和預設規定的動作，控制模塊通過角度傳感器實時獲取風板角度，進行PID算法后并調整PWM信號的占空比，實現對風機轉速控制，并將風板角度顯示模塊上。控制系統方案框圖如圖1所示。

圖1　系統方案框圖

2　系統硬件電路的實現

2.1控制模塊的選擇

現在流行的控制器有ARM、STM32、51單片機系列，ARM、 STM32運行速度快，且運行資源比較多，可進行復雜的運算，但價格比較貴。而根據系統要求及本設計采取的方案，控制器主要的是進行PID算法的運算以及輸出PWM控制，不需要進行更復雜的運算，因此從性價比角度看，控制模塊采用51單片機即可。本設計中采用宏晶公司的STC15F2K61S2單片機作為控制模塊。STC15F2K61S2屬于增強型51單片機，速度比普通8051快8～12倍，具有8通道10位高速A/D，3路PWM。

2.2驅動模塊

風機驅動采用L298N 芯片控制。L298N是SGS公司出產的4通道邏輯驅動電路芯片，該芯片是專用的電機驅動芯片，其內部含有H 橋的高電壓、大電流全橋驅動器，可以用來驅動兩個直流電機，或一個兩相步進電機，采用標準邏輯電平控制，具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響下允許或禁止。其中4腳接電源電壓，電壓范圍為+2.5～46 V，最大工作電流2.5A，額定功率25W，可驅動電感性負載。

2.3 角度傳感器模塊

角度傳感器可采用旋轉編碼器、變阻器式角位移傳感器、及加速度傳感器等。旋轉編碼器精度高、安裝工藝復雜，且容易受震動影響，需要進行濾波處理。變阻式角位移傳感器原理簡單，它是將角度變化量的測量變為電阻變化量的測量，但是精度不高，且容易燒壞。本設計采用ADX335型號的角度傳感器，它是低功耗及單一的IC芯片加速度傳感器，質量比較輕巧，容易和風板軸銜接，經過適當算法后，可得到比較高精度的角度。其電壓在1.8V至3.6V之間，在-55°C 到125°C溫度范圍內，采用5×5×2 mm的LCC的封裝。

2.4 按鍵輸入及顯示模塊

按鍵可采用4×4矩陣模塊和獨立按鍵方式。考慮到需要輸入的量不是很多，且采用的單片機也有足夠的端口可供使用，所以采用了獨立的按鍵方式。在進行防抖處理后，在軟件設計時比較容易獲得按鍵的值。顯示模塊采用常用的LCD1602液晶模塊，它能顯示32個字符，使用方便，基本能地滿足系統需要顯示信息的要求。

3　控制算法的設計及實現

本控制系統的設計的核心是控制算法的設計和實現。由于在風板控制系統中的被控對象具時變不確定性、純滯后等特征，采用了PID控制算法。通過對檢測到的角度進行PID運算，控制PWM占空比而控制風機的速度，而使風板能穩定達到任意預置角度。

3.1PWM及風力的控制

顯而易見，風力的大小，由風機轉速決定。轉速越大，則風力越大。調節風力，就是調節風機的轉速。直流調速系統中，都是以變壓調速來實現的。其中，在變壓調速系統中，大體上又可分為可控整流式調速系統和直流脈寬調制（PWM）調速系統兩種。PWM控制技術中，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅度和占空比來實現，因為在實際系統設計中脈沖幅度一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現等效直流電壓調節，從而達到利用PWM控制技術實現對直流風機轉速進行調節的目的。本設計中，充分利用控制模塊STC單片機能產生PWM信號功能，使用其中自帶的兩路PWM對風機進行速度的調節。對兩邊風機速度的控制和調節，即是對輸出的PWM占空比的控制。占空比又由風板的角度進行數字PID算法實現，從而達到控制風板運動的軌跡。

3.2PID控制算法

3.2.1位置式數字PID算法。該控制算法提供了執行機構的具體位置，輸出公式為：

由此可見，該PID輸出與整個過去的狀態有關，這種算法每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對e（k）進行累加，容易產生大的累加誤差，且造成積分飽和，控制器運算量很大。

3.2.2增量式數字PID算法。該PID輸出只是控制量的增量Δu（k）。輸出表達式為：

可見，采用增量式算法時，控制量Δu（k）對應的是本次執行機構位置的增量，而不是對應執行機構的實際位置，算式中不需要累加。控制增量Δu（k）的確定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果，因此，本設計中，采用增量式PID算法。

3.2.3雙PID控制。雙PID常常采取串級PID控制，串級PID原理如圖2所示。

串級控制系統具有主、副兩個控制回路，從信號的傳遞方式來看，主、副控制器是串聯地進行工作，主回路的輸出是通過副回路起作用；從回路閉合方向來看，副回路被包括在主回路中，可以看成一個具有精確跟蹤能力的控制環節，它以主回路的輸出作為自己的輸入，并始終跟隨其變化而變化，即：主回路為定值控制，副回路為隨動控制，這就是串級控制系統的最重要的特征。在本設計中，主PID是對風板實際角度進行PID運算，副PID主要是對從風板右邊看去的角度進行PID運算。由于加速度傳感器獲得并不是直接角度，需要經過單片機進行算法運算，算出角度。具體控制原理圖如圖3所示。

3.2.4PID參數的整定。

所謂PID 參數的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質量最好時的PID 參數值，確定最合適的控制器比例度P、積分時間Ti 和微分時間Td 。PID參數的整定方法工程上最常用的有臨界比例度法、衰減曲線法和經驗湊試法。本設計中，采用試湊法。試湊法就是根據控制器各參數對系統性能的影響程度，邊觀察系統的運行，邊修改參數，直到滿意為止。在試湊時，一般可根據以上參數對控制過程的影響趨勢，對參數實行先比例、后積分、再微分的步驟進行整定。在采用雙PID中，先整定內環PID，再整定外環PID。

3.3控制系統預定動作的實現

參數整定好之后，風板基本達到預設的任意期望的角度。這為后面的風板的動作打好基礎。風板第一個動作要求是由起點開始啟動裝置，控制風板達到預置角度，過渡過程時間不大于10s，在預置角度上的穩定停留時間為5s，動作完成后風板平穩停留在終點位置。完成這一動作，實際上只要調節期望角度。起點時，期望角為0度，終點時，期望角為180度。期望角隨時間變化

圖2　串級PID

圖3　控制原理

用坐標圖如圖4所示。期望角按圖變化，便能基本實現第一個動作。Θ（t）表示期望角，θ即預定停留角度，其中，t1＜10s，t2-t1=5s。同理，風板的第二個動作，也是控制期望角變化而實現的，其變化如圖5所示。

圖 4 動作一角度的變化圖

圖5　動作二角度的變化圖

4　結束語

風板的控制，其核心還是在控制算法上。在算法上還可以采取模糊算法，自適應算法等。本設計采用了雙PID控制算法，不需要復雜的編程就容易實現，且比較精準，能達到預設的動作。難點是PID參數的整定，本設計采用了試湊法進行PID的整定，需反復修改參數。為了減少工作復雜度，可進一步優化算法，采取自整方法來實現。

［1］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（3）：143-144

［2］雷慧杰.基于STM32的直流電機PID調速系統設計［J］.現代電子技術，2016，39（8）：165-167

［3］李強，張靈.雙PID 控制在煤氣鼓風機壓力調節中的應用［J］.山西煤炭，2015，35（1）：76-78

［4］劉二林，姜香菊.基于雙PID的旋轉倒立擺控制系統設計與實現［J］.制造業自動化，2015，37（3）：139-140

［5］常建東，虎恩典，趙文賢等.基于PID參數自整定的液位控制系統設計及其實現［J］.現代電子技術，2016，39（5）：252-253

［6］晗悅，丁嘉毅等.基于PID及PWM的無線傳能系統研究［J］.新型工業化，2014，4（9）：56-61

田德永（1978.09-）男，貴州天柱人，碩士研究生，高級實驗師，研究方向：控制與測量。

Design and Implementation of Wind Board Control System Based on Dual PID

Tian Deyong
（Guizhou Vocational and Technical Institute，Guizhou Guiyang，550024）

A kind of wind board control system was designed.The incremental dual PID was used in the control system which the STC MCU was taken as control core.The gravity acceleration sensor is used to collect the angle of the wind board in real time and the PWM signal generated with the MCU is used to adjust the speed of the fan which can control the movement of the wind board.the system makes the wind board meet the conditions which are required.

wind board control；PWM；dual PID