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(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等項(xiàng)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(jiǎn)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(jì)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(dòng)、角度檢測(cè)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(wú)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(shí)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(jì)

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(guò)A/D轉(zhuǎn)化模塊將電位器兩端模擬信號(hào)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(guò)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(guò)鍵盤輸入指定的角度數(shù)值，再由NRF24L01無(wú)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(duì)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(dòng)部分

此系統(tǒng)中我們選用了L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。因?yàn)樵撔酒瑑?nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；并且其具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)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(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速時(shí)，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(wú)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(shí)，工作電流也只有9mA；接收時(shí)，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式，工作在100mw時(shí)電流為160mA，在數(shù)據(jù)傳輸方面實(shí)現(xiàn)相對(duì)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(jì)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(jì)

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(guò)線性變換將角度值轉(zhuǎn)化為電壓值，同時(shí)A/D轉(zhuǎn)化模塊測(cè)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(guò)PID算法后將得出風(fēng)機(jī)的PWM波的占空比，此時(shí)就將此PWM波送入電機(jī)驅(qū)動(dòng)中控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此后就是不斷地檢測(cè)帆板角度，然后與預(yù)期值相減，差值送入PID算法中，實(shí)時(shí)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(jì)

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(chǎng)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(guò)去狀態(tài)有關(guān)，對(duì)于系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作是難以預(yù)測(cè)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(duì)PID算法逐項(xiàng)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(cè)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(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差。不同比例系數(shù)KP下，受控變數(shù)對(duì)時(shí)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(xiàng)。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于對(duì)時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)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(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。不同積分系數(shù)KI下，受控變數(shù)對(duì)時(shí)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(duì)時(shí)間的變化

圖7 不同積分系數(shù)KI 下，受控變數(shù)對(duì)時(shí)間的變化

圖8 不同微分增益KD下受控變數(shù)對(duì)時(shí)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(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分項(xiàng)能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。不同微分增益KD下，受控變數(shù)對(duì)時(shí)間的變化（KP和KI維持定值）如圖8所示。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)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(cè)試，在5 厘米、10厘米步進(jìn)值下的測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)

由表1中測(cè)量得到的實(shí)際數(shù)據(jù)可以得出我們?cè)O(shè)計(jì)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(jì)指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

增量式PID算法在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中起著非常重要的作用。本文簡(jiǎn)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(jì)，最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)性好和對(duì)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(dòng)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(bào),2004,38(2):195-199．

[4]吳強(qiáng),韓震宇,李程.基于增量式PID算法的無(wú)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(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(12):113-116.