一種簡易風(fēng)洞模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王　晨，吳　凡，王曉娜

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連　116024)

?

一種簡易風(fēng)洞模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王晨，吳凡，王曉娜

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連116024)

摘 要：介紹了簡易風(fēng)洞模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制作。本設(shè)計(jì)以XS128單片機(jī)為主控芯片,利用渦輪式軸流風(fēng)機(jī)來為小球的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)能。通過在風(fēng)洞表面安裝的CCD傳感器來檢測小球位置，而后通過PID算法對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)校。從而形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)動(dòng)系統(tǒng)的模擬。

關(guān)鍵詞：PID算法；PWM調(diào)速；閉環(huán)控制；CCD；XS128

流體力學(xué)方面的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)指在風(fēng)洞中安置飛行器或其他物體模型，研究氣體流動(dòng)及其與模型的相互作用，以了解實(shí)際飛行器或其他物體的空氣動(dòng)力學(xué)特性的一種空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)方法，這是現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭等研制定型和生產(chǎn)的“綠色通道”。

風(fēng)洞試驗(yàn)，就是依據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，將飛行器的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ诘孛嫒斯きh(huán)境中，人為制造氣流流過，以此模擬

空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)?；趯?shí)驗(yàn)室模擬，以及設(shè)備簡約化的的思想，本文研制了此模擬裝置。

本文將介紹風(fēng)洞模擬系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)原理，組成成分以及相關(guān)參數(shù)，該系統(tǒng)可用于日常教學(xué)、PID算法學(xué)習(xí)以及單片機(jī)控制學(xué)習(xí)等。

1系統(tǒng)方案

本簡易風(fēng)洞模擬系統(tǒng)主要由控制模塊，供電模塊，顯示模塊，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和位置檢測模塊組成。小球的位置檢測既可以采用超聲測距又可以采用CCD傳感器，CCD采集結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定性高。

風(fēng)洞模擬系統(tǒng)由圓管、連接部與直流風(fēng)機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。圓管豎直放置，長度約40 cm，內(nèi)徑大于4 cm且內(nèi)壁平滑，小球(直徑4 cm黃色乒乓球)可在其中上下運(yùn)動(dòng)；管體外壁應(yīng)有A、B、C、D等長標(biāo)志線，BC段有1 cm間隔的短標(biāo)志線；可從圓管外部觀察管內(nèi)小球的位置；連接部實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)與圓管的氣密性連接，圓管底部應(yīng)有防止小球落入連接部的格柵?？刂葡到y(tǒng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)小球在風(fēng)洞中的位置控制。

1.1測距模塊選型：

本系統(tǒng)采用CCD進(jìn)行信息采集，實(shí)現(xiàn)測距功能。采用安裝在風(fēng)洞右側(cè)的CCD測距模塊來直接獲取小球的相對(duì)位置。很明顯，此方案最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，使得整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。同時(shí)可以通過上位機(jī)程序?qū)崟r(shí)觀察小球的位置，便于對(duì)小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。由于CCD受外界光線干擾較大，故需對(duì)整個(gè)裝置的光線做嚴(yán)格的處理。

1.2風(fēng)機(jī)控制算法選擇：

系統(tǒng)采用PID控制算法。PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有近百年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為：

u(t) = kp [ e(t) + 1/TI∫e(t)dt + TD * de(t)/dt ]

因此它的傳遞函數(shù)為：G(s) = U(s) / E(s) = kp[ 1 + 1 / (TI*s) + TD * s ]

其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)。

經(jīng)系統(tǒng)分析與比較論證，風(fēng)機(jī)的控制算法我們采用采用數(shù)學(xué)模型已知，參數(shù)調(diào)校方便，實(shí)時(shí)性高的方案二——PID控制算法。

2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1主要部件的分析

2.1.1CCD介紹

電荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件。CCD是以時(shí)間積分方式工作的,光積分時(shí)間可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),因此使用方便靈活,適應(yīng)性強(qiáng),CCD輸出信號(hào)易于數(shù)字化處理,容易與信號(hào)處理器件連接組成實(shí)時(shí)自動(dòng)測量控制系統(tǒng),便于擴(kuò)大應(yīng)用功能和使用范圍。CCD的像元尺寸小,幾何精度高,配置適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng),可以獲得很高的空間分辨率。

線陣CCD通常應(yīng)用于各種精密圖像傳感和無接觸工件尺寸的在線檢測,但是有些時(shí)候可以通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵湫盘?hào)轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào),拓寬了它的應(yīng)用領(lǐng)域。比如,激光雕刻機(jī)利用線陣CCD信號(hào)作為它的輸入信號(hào),經(jīng)過軟件的處理將線陣CCD信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào),使得雕刻機(jī)雕出圖案中的各個(gè)部分。由于線陣CCD所采集的信號(hào)只是某一條直線上的信息,所以必須借助于機(jī)械的手段實(shí)現(xiàn)CCD對(duì)圖像的掃描。

考慮到精度要求高、數(shù)據(jù)處理量大,采用了速度較高的A/D轉(zhuǎn)換器和高速信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)。由A/D輸出的信號(hào)不可避免地包含各種噪聲,進(jìn)入DSP后要進(jìn)行數(shù)字濾波。濾波后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過邊緣識(shí)別可以得到線陣信號(hào),再將多列線陣信號(hào)經(jīng)過軟件編碼組合,即可恢復(fù)圖像信號(hào)。

2.1.2XS128介紹

HCS12X系列單片機(jī)是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增強(qiáng)型產(chǎn)品，基于S12 CPU內(nèi)核，可以達(dá)到25 MHz的HCS12的2-5倍性能?？偩€頻率最高可達(dá)40 MHz。MC9S12XS128就是S12X系列中的一個(gè)成員。如圖2所示。

MC9S12XS系列具有豐富的輸入/輸出端口資源，同時(shí)集成了多種功能模塊，端口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ和PORTAD共11個(gè)端口。端口引腳大多為復(fù)用口，往往具有多重功能，所有端口都具有通用I/O口功能。主控板原理圖如圖3所示，主控板線路板如圖4所示。

2.2PWM的產(chǎn)生

PWM信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)；另一種是通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)。由于后一種方法較復(fù)雜，對(duì)其也難以查證相應(yīng)資料，操作起來也麻煩。所以我們可以采用以軟件的方法來產(chǎn)生PWM信號(hào)，即使用單片機(jī)。

如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為f，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為N位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為：

式中，N為一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)；Tw為定時(shí)器定時(shí)初值。

3系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖5所示，程序流程圖如圖6所示。

4系統(tǒng)功能測試方法、測量儀器型號(hào)、結(jié)果、整機(jī)指標(biāo)

4.1軟硬件連調(diào)

首先將焊接好的各個(gè)電路模塊(電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，光電傳感器模塊，電壓比較模塊，顯示模塊等)進(jìn)行分開調(diào)試。再將整個(gè)硬件系統(tǒng)搭建起來，軟件燒寫進(jìn)去，進(jìn)行聯(lián)調(diào)。

4.2測試條件與測試儀

測試條件：硬件焊接完好，各個(gè)模塊功能測試正常，軟件編譯正常即可。

4.3測試儀器

測試儀器見表1。

5結(jié)論

本文介紹了一種風(fēng)洞模擬系統(tǒng)，操作簡單、小巧實(shí)用而且成本較低，為在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬風(fēng)洞試驗(yàn)而設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制，整個(gè)裝置工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度及精確度高，非常適合實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行小型風(fēng)洞試驗(yàn)，作為實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)器材具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了使該系統(tǒng)擁有更廣闊的受眾，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制了成本。經(jīng)計(jì)算該裝置單套成本控制在二百元以內(nèi)，遠(yuǎn)低于目前市場上的風(fēng)洞器材，具有廣闊的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭天祥.51單片機(jī)c語言教程[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2009.

[2]張志良.單片機(jī)原理與控制技術(shù)(第二版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005,3.

[3]陳育斌.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2011.3

[4]滿紅.自動(dòng)控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5]李周復(fù).風(fēng)洞試驗(yàn)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2015.1

[6]http://wenku.baidu.com/link?url= jNrnNF 5VY5i8 ED wJ_HpvptnA-X4E0XHvxAgHPT3 hdkunf68 GknKtOTg6eijnbwn28cDhhjeobJlRw7islKJo0RGtmkrYz3Iv_zb1DTKImS.

[7]郭俊杰，朱洪應(yīng)，蔡後超，等.基于STM32單片機(jī)的視頻遙控小車[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(4)：47-50.

The Design of a New Type of Haze-Fog Detection System

WANG Chen,WU Fan,WANG Xiao-na

(Dalian University of Technology,Liaoning Dalian 116024)

Key words：the PID algorithm；PWM control；closed loop control；CCD；XS128

Abstract：It introduces the simple wind tunnel simulation system design and production.This design XS128 single-chip microcomputer as main control chip,using turbine type axial flow fan to provide kinetic energy for the movement of the ball.Through the wind tunnel of the CCD sensor to detect small ball surface installation position,and then through the PID algorithm for extraction of axial flow fan air volume for further adjustment.To form a complete closed loop control system,realize the simulation of pneumatic system.

收稿日期：2016-01-26

文章編號(hào)：1007-2934(2016)03-0039-05

中圖分類號(hào)：O 4-33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.012