基于MATLAB/Simulink閉環(huán)小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱志強(qiáng)

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江陰　214400）

基于MATLAB/Simulink閉環(huán)小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱志強(qiáng)

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江陰214400）

針對小車運(yùn)動過程中易受外界因素干擾，運(yùn)動狀態(tài)出現(xiàn)不確定性的問題，提出基于MATLAB/Simulink的閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)使用Simulink自帶的Arduino硬件目標(biāo)庫進(jìn)行小車驅(qū)動電路、測速電路的設(shè)置及運(yùn)動狀態(tài)的閉環(huán)建模，將整定后的系統(tǒng)由MATLAB/Simulink環(huán)境下載至下位機(jī)Arduino后，小車能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的運(yùn)動狀態(tài)。結(jié)果表明：將Arduino與Simulink有效結(jié)合后，開發(fā)靈活，成本低，對基于算法的運(yùn)動控制系統(tǒng)研究有推廣價(jià)值。

Arduino；Simulink；閉環(huán)系統(tǒng)；PID控制；智能小車

2016年江蘇高校哲學(xué)社會科學(xué)研究課題（No.2016SJD79002）、2016年江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（No.16-E-DZ-18）

0　引言

小車運(yùn)動控制可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種模式。開環(huán)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)都較為簡單，常用于小車機(jī)械部分的功能測試，但在實(shí)際運(yùn)行過程中小車不能根據(jù)外在因素變化及時(shí)對小車的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。以走直線為例，小車會受到兩側(cè)車輪摩擦阻力、路面平整度、電機(jī)傳動差異性等因素影響，使小車偏離直線車道。

閉環(huán)控制可以通過計(jì)算機(jī)編程來控制其行駛，可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動地運(yùn)行，無需人工干預(yù)便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的目標(biāo)，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)［1-4］；它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體［5-6］。

本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)小車驅(qū)動基礎(chǔ)上增加了測速反饋裝置，采用MATLAB/Simulink對小車驅(qū)動進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，小車的運(yùn)動狀態(tài)得以實(shí)時(shí)調(diào)整，使小車在運(yùn)行中能有效減少外部因素的干擾。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)由MATLAB/Simulink進(jìn)行建模，下位機(jī)負(fù)責(zé)采集小車運(yùn)行速度信號，并根據(jù)上位機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)及時(shí)調(diào)整輸出小車直流電機(jī)驅(qū)動模塊的PWM控制信號。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　小車閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括Arduino核心板控制電路、小車電機(jī)驅(qū)動電路、車輪測速傳感模塊。這些模塊安裝于車體上，由7.2V大容量鋰電池經(jīng)各穩(wěn)壓模塊向相應(yīng)電路提供電源。

2.1核心控制電路

Arduino是一系列基于單片機(jī)的人機(jī)互動產(chǎn)品開發(fā)平臺，它的硬件平臺是開放的。Arduino的硬件平臺包括基于AVR單片機(jī)的主控制電路板，以及大量的各式輸入/輸出電子模塊。輸入/輸出模塊包括開關(guān)輸入模塊、溫度壓力傳感器輸入模塊、超聲測距傳感器輸入模塊、各類顯示輸出模塊、電機(jī)控制模塊等［7］。

系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，使用Simulink來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和小車運(yùn)動的算法，通過與執(zhí)行平臺相連，程序可以在Arduino上運(yùn)行。Arduino Mega 2560對MATLAB/Simulink支持較好，是Simulink的外接硬件目標(biāo)庫的成員之一，該板內(nèi)置一個(gè)Atmel ATmega處理器，提供數(shù)字和模擬連接以及串口通信，方便檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，并及時(shí)調(diào)整輸出PWM占空比以調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動速度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以在Arduino Mega上運(yùn)行應(yīng)用程序的交互式參數(shù)調(diào)整和信號監(jiān)控，而這在Arduino Uno上是無法使用的。

2.2電機(jī)驅(qū)動電路

現(xiàn)代豫劇《香魂女》和《常香玉》帶著強(qiáng)烈地創(chuàng)新使命和探索意識，有效地嘗試并創(chuàng)造性地完成了戲曲現(xiàn)代戲在新時(shí)期的現(xiàn)代化創(chuàng)作，在創(chuàng)作中，也有意識地以局部形態(tài)向戲曲的現(xiàn)代性逼近。可以斷言，戲曲現(xiàn)代戲未來的發(fā)展，仍然面臨著這兩個(gè)問題：戲曲現(xiàn)代戲的戲曲化和戲曲現(xiàn)代戲的現(xiàn)代性。

電機(jī)工作時(shí)電流高于核心板I/O口輸出電流，使用時(shí)必須外接電機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動電機(jī)可采用L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動控制模塊［8］，其驅(qū)動部分端子的電壓范圍為：+5V～+35V，驅(qū)動電流峰值可達(dá)2A。L298N既可以用來驅(qū)動直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速功能，還可以用來控制步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)用L298N驅(qū)動小車左右兩個(gè)輪子，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退及左右轉(zhuǎn)彎，L298N用于直流電機(jī)驅(qū)動的引腳邏輯關(guān)系如表1所示。

表1　L298N驅(qū)動直流電機(jī)控制邏輯（以左輪為例）

2.3光電編碼測速電路

要實(shí)現(xiàn)小車的閉環(huán)控制，必須對小車左右兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)跟蹤檢測，光電脈沖編碼器憑借其在價(jià)格和性能方面的優(yōu)勢一直是轉(zhuǎn)速檢測的主要器件［9］，測速時(shí)編碼器碼盤以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示碼的狀態(tài)是1或0，電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢和脈沖編碼的頻率成線性關(guān)系。光電編碼信號經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后輸出至Arduino核心板。

3　系統(tǒng)閉環(huán)控制建模

Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。MATLAB/ Simulink2012版本后提供了對Arduino的全面支持，使用Simulink Support Package for Arduino Hardware庫中的模塊進(jìn)行建模，然后在目標(biāo)硬件Arduino上運(yùn)行，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)各類閉環(huán)控制。Arduino與Simulink的混合應(yīng)用模式如圖2所示。

圖2　Arduino與Simulink混合應(yīng)用模式

3.1電機(jī)控制

小車的運(yùn)行動作有直行、轉(zhuǎn)向、停止三種，Simulink建模時(shí)無法同時(shí)對兩側(cè)電機(jī)分別給出獨(dú)立的速度控制信號，設(shè)計(jì)時(shí)可以將兩側(cè)車輪的驅(qū)動信號分解為速度信號和轉(zhuǎn)彎信號，如圖3所示。

圖3　電機(jī)驅(qū)動信號的分解

由圖3可看出，兩側(cè)車輪的輸入信號為速度信號與轉(zhuǎn)彎信號的正負(fù)疊加。直行時(shí)，無需轉(zhuǎn)彎信號，兩輪速度信號相同；轉(zhuǎn)彎時(shí)，只需改變轉(zhuǎn)彎信號的極性，便可實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。由于后續(xù)還要進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，圖3輸出的速度信號還要經(jīng)過比較器和PID控制器的計(jì)算及PWM飽和模塊設(shè)置才能經(jīng)Arduino生成相應(yīng)的PWM波。與Arduino相連的L298N邏輯控制如圖4所示。

圖4　L298N的邏輯控制

3.2編碼測速控制

設(shè)計(jì)中采用的光電編碼器為100步數(shù)，故可得：

由式（2）可知，只要準(zhǔn)確測出相鄰兩次脈沖的時(shí)間間隔便可推算出車輪轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)時(shí)先由Digital Clock模塊來產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間，再在Simulink庫中調(diào)用觸發(fā)子系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)該功能。

3.3PID調(diào)節(jié)

PID（Proportional，Integral and Differemial）控制器是一種的簡單的反饋調(diào)節(jié)控制算法，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

圖5　PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)使用PID控制器可以使小車運(yùn)動具有更快的時(shí)間響應(yīng)和更小的穩(wěn)態(tài)誤差，即小車運(yùn)行過程中可以最大程度的消除理想狀態(tài)外的各種干擾因素。本設(shè)計(jì)的PID反饋控制如圖6所示。

圖6　小車閉環(huán)控制框圖

4　小車運(yùn)行分析

PID控制器由比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后、控制對象處于正常狀態(tài)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整控制器的參數(shù)使控制系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最好的控制效果。由于具體的傳遞函數(shù)難以確定，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，PID參數(shù)整定采用試湊法。

4.1比例環(huán)節(jié)參數(shù)Kp的整定

偏差信號e（t）產(chǎn)生后，負(fù)反饋介入以修正偏差。理論上，比例系數(shù)Kp增大可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但比例系數(shù)太大會產(chǎn)生有害振蕩。將系統(tǒng)的積分和微分環(huán)節(jié)移除后，在比例環(huán)節(jié)單獨(dú)作用下，通過改變Kp值并觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況，考慮到設(shè)計(jì)中的被控量是小車車輪轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)是一階系統(tǒng)，因此Kp可以適當(dāng)放寬，經(jīng)過試湊后，Kp值設(shè)為20。

4.2積分環(huán)節(jié)參數(shù)Ti的整定

在比例控制的基礎(chǔ)上加入積分控制，是系統(tǒng)增加一階，這可以使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步得到改善。積分控制取決于積分時(shí)間Ti，整定時(shí)將微分控制移除，逐步對積分系數(shù)進(jìn)行試湊，直至靜差消除的速度滿意。由于系統(tǒng)已經(jīng)是二階系統(tǒng)，過大的積分系數(shù)會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，試湊后，1/Ti設(shè)為了0.005比較合適。

4.3微分環(huán)節(jié)參數(shù)Td整定

微分控制反映了偏差信號的變化速率，改控制是一種預(yù)見性控制，使得系統(tǒng)能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。對Td試湊時(shí)，最后選擇的Td的值為4。

5　結(jié)語

將系統(tǒng)從Simulink環(huán)境寫入Arduino Mega后，由于小車采用了PID閉環(huán)控制控制系統(tǒng)，很大程度上提高了小車運(yùn)動的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，使小車能更快響應(yīng)測速信號的變化，更準(zhǔn)確地按照給定的指令運(yùn)轉(zhuǎn)，在出現(xiàn)外界干擾時(shí)能夠迅速調(diào)節(jié)回正常狀態(tài)，小車運(yùn)行穩(wěn)定性得到了改善。利用MATLAB/Simulink可以實(shí)現(xiàn)PID控制器的離線設(shè)計(jì)和整定，將Simulink與開源硬件Arduino配合使用，可以推廣到多種運(yùn)動控制系統(tǒng)中，有較強(qiáng)的使用價(jià)值。

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Arduino；Simulink；Closed-Loop System；PID Control；Smart Vehicle

Design of Closed-Loop Control System for Vehicle Based on MATLAB/ Simulink

ZHU Zhi-qiang
（Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214400）

Vehicle can be interfered by external factors，and motion appears uncertain state，to deal with these issues，proposes closed-loop system design based on MATLAB/Simulink，the system uses the target hardware library for Arduino by Simulink to drive the vehicle，speed measurement and modeling of the closed-loop system，the tuning system after downloading the MATLAB/Simulink environment to Arduino，the vehicle can achieve precise default state of motion.The result shows that：after the effective combination Arduino and Simulink，the development of flexible，low cost，motion control system based on the algorithm research has promotional value.

1007-1423（2016）28-0049-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.28.014

朱志強(qiáng)（1981-），男，江蘇靖江人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡娮油ㄐ偶扒度胧较到y(tǒng)

2016-07-28

2016-09-25