防脈沖干擾平均濾波法與歸一參數(shù)整定PID算法的風(fēng)板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

商 林 鐘 雷

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

在2018 年全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽備賽過(guò)程中，教練組選擇了2015 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽高職組控制類題——風(fēng)板控制裝置為控制類訓(xùn)練題，目的在于讓參賽選手了解控制類題目的特點(diǎn)，訓(xùn)練隊(duì)員如何使用定時(shí)器、PWM、液晶顯示模塊，如何對(duì)PID 算法中的參數(shù)進(jìn)行整定等。參賽隊(duì)員查找相關(guān)資料，其內(nèi)容多為如何用PID 算法去控制風(fēng)板的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括PID 原理、硬件的選擇、算法的流程等［1-3］，但很難找到介紹控制風(fēng)板穩(wěn)定的方法。在訓(xùn)練過(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、PID基本算法參賽隊(duì)員都能理解，但在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中主要問(wèn)題表現(xiàn)在：（1）PID 的三個(gè)參數(shù)整定困難，調(diào)試時(shí)效果不好，花了大量時(shí)間，達(dá)不到預(yù)期目的；（2）干擾過(guò)大，不能滿足控制角度誤差不大于5 度的要求。為了解決上述問(wèn)題，教練組使用了歸一參數(shù)整定法來(lái)選擇PID 的參數(shù)，使用防脈沖干擾平均濾波法來(lái)消除噪聲干擾，從而達(dá)到控制角度誤差不大于5 度的要求。文中選擇風(fēng)板保持90度角為實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求正負(fù)誤差不超過(guò)5度，自制系統(tǒng)如圖1 所示。系統(tǒng)包括STC15W 單片機(jī)、數(shù)字電位器、按鍵、L298N 電機(jī)控制器、2 個(gè)風(fēng)機(jī)、12864LCD 屏、UART_Oscilloscope 等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示［4］。該系統(tǒng)首先通過(guò)數(shù)字電位器采集風(fēng)板當(dāng)前的角度，STC15W 單片機(jī)采集供電電壓，經(jīng)過(guò)濾波消除干擾，再通過(guò)PID 算法去調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制風(fēng)板保持在設(shè)定的角度。

圖1 自制風(fēng)板模型

圖2 系統(tǒng)框圖

1 風(fēng)板穩(wěn)定工作的條件

對(duì)于風(fēng)板穩(wěn)定運(yùn)行的條件，文獻(xiàn)介紹甚少，教練組從研究風(fēng)板穩(wěn)定運(yùn)行的影響因素、PID 算法的改進(jìn)、軟件濾波等方面著手，最后實(shí)現(xiàn)了風(fēng)板穩(wěn)定停留在設(shè)定的角度，誤差控制在要求范圍內(nèi)。

1.1 采樣周期的選擇

根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率的下限為fs=2fmax，此時(shí)系統(tǒng)可真實(shí)地恢復(fù)到原來(lái)的連續(xù)信號(hào)。從風(fēng)板控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和風(fēng)機(jī)抗干擾的性能來(lái)看，風(fēng)板系統(tǒng)要求采樣周期短些，訓(xùn)練中，隊(duì)員使用UART_Oscilloscope 軟件測(cè)量角度傳感器波動(dòng)的頻率，軟件顯示角度傳感器波動(dòng)頻率為10HZ左右，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，可以選擇50ms 的定時(shí)器T0為基準(zhǔn)采樣定時(shí)器。

采樣周期也不能過(guò)短，過(guò)短的采樣周期導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由于采樣干擾導(dǎo)致的誤差使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁調(diào)節(jié)變動(dòng)，也不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.2 其他硬件和訓(xùn)練細(xì)節(jié)

對(duì)于角度的測(cè)量，角度傳感器選用了數(shù)字電位器，最大電壓為5V，通過(guò)測(cè)量角度和實(shí)際電壓之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證，角度和電壓的關(guān)系為：angle=-85.51*AD_data+309.9，其中angle為風(fēng)板的角度，AD_data 為當(dāng)前角度時(shí)數(shù)字電位器A/D值。

對(duì)于風(fēng)機(jī)的控制，為了便于控制風(fēng)板，如果風(fēng)板角度小于90 度，選擇右邊風(fēng)機(jī)為定速，它的PWM 值為100 到150 之間；如果風(fēng)板角度大于90度，選擇左邊風(fēng)機(jī)為定速，PWM 值為100 到150 之間。這是控制風(fēng)板穩(wěn)定方法之一，該方法避免了兩個(gè)風(fēng)機(jī)一起調(diào)速，有利于風(fēng)板的穩(wěn)定。

由于供電電壓不穩(wěn)定，即數(shù)字電位器的參考電壓發(fā)生了改變，A/D采樣后的AD_data值雖然準(zhǔn)確，但通過(guò)公式angle=-85.51*AD_data+309.9 轉(zhuǎn)換后，并不是真實(shí)的角度。供電電壓增大，換算出的angle也增大；供電電壓減小，換算出的angle也減小。為了解決電源電壓不穩(wěn)帶來(lái)的測(cè)量誤差，訓(xùn)練時(shí)另外開(kāi)了一個(gè)通道，采集數(shù)字電位器供電電壓，即通道5 采集數(shù)字電位器電源電壓A/D 值，通道7 采集數(shù)字電位器輸出A/D 值。關(guān)鍵代碼如下所示：

AD_temp1=ADC_Read（5）；

AD_temp2 = ADC_Read（7）。根據(jù)STC15W單片機(jī)I/O 口的A/D 采集原理，可計(jì)算出AD_data=AD_temp2*2.5/AD_temp1，通過(guò)采集數(shù)字電位器電源電壓A/D 值，并為分母，作為參考電壓，理論上消除了電源電壓不穩(wěn)導(dǎo)致?lián)Q算出的角度誤差，經(jīng)過(guò)換算角度為：angle=-85.51*AD_data+309.9，并放在get_AD（）采集函數(shù)中。該方法克服了過(guò)去由于數(shù)字電位器的電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致的測(cè)量誤差，是控制風(fēng)板穩(wěn)定方法之二。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 歸一參數(shù)整定法——自校正PID 控制器

文中省去了PID 的結(jié)構(gòu)體、PID 的初始化、A/D 采集等定義，歸一參數(shù)整定法——自校正PID控制器算法如圖3所示。

圖3 歸一參數(shù)整定法

int pwm；

float PID_realize（float speed）

｛

pid.SetSpeed=speed；

pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed；/

/歸一參數(shù)整定法——自校正PID 控制器

pid.incrementSpeed=pid.Kp* （2.45*pid.err +3.5*pid.err_next+1.25*pid.err_last）；

pid.ActualSpeed+=pid.incrementSpeed；

pid.err_last=pid.err_next；

pid.err_next=pid.err；

returnpid.ActualSpeed；

｝

由圖3 可知，只需確定一個(gè)參數(shù)pid.Kp 就能計(jì)算出增量PID 算法的增量值，減少了調(diào)試工作量。實(shí)際效果如圖4 所示，設(shè)定值為200，pid.Kp=0.095，經(jīng)過(guò)20 次的運(yùn)算，能收斂到200.436386，誤差為0.2181%。其他參數(shù)不變，調(diào)整pid.Kp 值能控制收斂速度和誤差，達(dá)到任務(wù)要求的精度［5-6］。

圖4 歸一參數(shù)整定法仿真結(jié)果

2.2 防脈沖干擾平均濾波法

在數(shù)據(jù)采集中存在著多種干擾，濾除干擾的方法有很多，既有軟件濾波器，也有模擬濾波器。針對(duì)采集數(shù)字電位器輸出電壓過(guò)程中出現(xiàn)的隨機(jī)干擾，采用了防脈沖干擾平均濾波法消除干擾，對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣偏差。該濾波方法是連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。雖然防脈沖干擾平均濾波法把N 次采樣值按大小排列，要消耗單片機(jī)的內(nèi)存，排序時(shí)也比較費(fèi)時(shí)，但訓(xùn)練時(shí)，隊(duì)員選擇的是STC15W 系列單片機(jī)，它有24MHZ 的晶振，24K 的SRAM。使用中N 值為7，對(duì)N 次采樣值排序時(shí)，使用插入排序算法，它的空間復(fù)雜度為O（1），算法穩(wěn)定，最壞情況O（n2）的時(shí)間復(fù)雜度，可以通過(guò)修改N 的值來(lái)改變算法的復(fù)雜度，STC15W 系列單片機(jī)能滿足該算法的要求［6-7］。算法關(guān)鍵代碼如下：

#define N 7

void InsertionSort（int A［］，int n）；//插入排序

int filter（int value_buf［N］，N）

｛ int count，sum；

InsertionSort（value_buf［N］，N）；

for（count=1；count＜N-1；count++）

sum+=value［count］；

//濾波結(jié)果發(fā)串口1，使用UART_Oscilloscope軟件看波形

SendUART1（（int）sum/（N-2））；

return（int）（sum/（N-2））；

｝

filter 函數(shù)的返回值，即是防脈沖干擾平均濾波法得到的數(shù)字電位器當(dāng)前角度的采樣值，是控制風(fēng)板穩(wěn)定方法之三。

2.3 主函數(shù)

主函數(shù)中使用了50ms 的定時(shí)器，即每隔50ms 采集一次數(shù)字電位器角度，采集N 次做一次濾波，濾波的結(jié)果做PID 運(yùn)算，得到新的增量，再通過(guò)計(jì)算出新的PID 增量去調(diào)節(jié)PWM 的參數(shù)，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到角度穩(wěn)定在設(shè)定的角度，并保證5 度的誤差，本訓(xùn)練選擇風(fēng)板穩(wěn)定在90 度［8-9］。關(guān)鍵代碼如下所示，流程圖如圖5所示。

圖5 PID運(yùn)行流程

#define N 7

int PWM=0；

int num1=0，flag=0，filter_AD；

int value_AD［N］；//存放采集的值

int filter（intvalue_buf［N］，N）；

void PWM_SET（int pwmvalue_left，int pwmvalue_right）；//風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

float PID_realize（float speed）；//歸一參數(shù)整定法PID

main（）

｛ ……省略代碼（包含PID的初始化等）

while（1）

｛

if（flag==1）

｛

filter_AD=filter（value_AD，N）；

pid.ActualSpeed = filter_AD；//角度采集濾波后真實(shí)值

PWM_SET（PID_realize（90），120）；

flag=0；

｝

……

｝｝

void T0（）interrupt 1 //定 時(shí) 器T0，每 隔50ms采集一次角度

｛ ……省略代碼

value_AD［num1］= get_AD（）；//采集當(dāng)前電壓

num1++；

if（num1==N）

｛

num1=0；

flag=1；

｝

｝

測(cè)試過(guò)程中，采集角度時(shí)，使用了防脈沖干擾平均濾波法，消除了干擾，保證了采集角度的穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)濾波后，使用了參數(shù)整定法計(jì)算了PID 算法的增量，最后去做PWM調(diào)速。

3 測(cè)試結(jié)果分析

隊(duì)員用手轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)板，放在90 度，再找一硬物支撐固定住風(fēng)板，減少用手扶住風(fēng)板時(shí)人為晃動(dòng)引起的干擾，觀察液晶屏上顯示的角度值，是90度左右，在誤差范圍內(nèi)。打開(kāi)UART_Oscilloscope軟件，用USB 轉(zhuǎn)換線連接PC 與開(kāi)發(fā)板，設(shè)置UART_Oscilloscope 為串口1 獲取數(shù)據(jù)，可以看到UART_Oscilloscope 軟件中的波形平滑度非常高，幾乎是條平直的直線。移走硬物，用手移動(dòng)風(fēng)板，移動(dòng)瞬間，UART_Oscilloscope 中的波形跟隨變化，不動(dòng)風(fēng)板，幾乎又是平直的直線，波形看不到過(guò)沖和毛刺。用UART_Oscilloscope 軟件來(lái)測(cè)試顯示采樣的值是不是有干擾，使用軟件濾波能不能抗干擾，效果很直觀。

設(shè)定風(fēng)板的控制角為90 度，風(fēng)板停靠在左邊，啟動(dòng)程序后，左邊風(fēng)機(jī)全速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)板被吹起，往右快速移動(dòng)，隨著風(fēng)板右移，左邊風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢，風(fēng)板慢慢靠近90 度角，并有輕微的擺動(dòng)，但滿足5 度偏差的要求。用手掌輕輕接近離右邊風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口3 到5 厘米的位置，可以看到風(fēng)板右移，但左邊風(fēng)機(jī)迅速減慢了轉(zhuǎn)速，風(fēng)板又回到90度左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中采用了防脈沖干擾平均濾波法濾除了采樣時(shí)的干擾，并用UART_Oscilloscope 軟件觀察到采樣濾波后的波形，把濾波后的數(shù)據(jù)送到歸一參數(shù)整定法PID 算法中修改pid.ActualSpeed 值，并設(shè)定風(fēng)板的角度為90 度，觀察結(jié)果滿足角度誤差的要求，達(dá)到了訓(xùn)練目的。PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法有多種，常見(jiàn)的有：（1）理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)；（2）工程整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，在工程實(shí)際中被常常采用，它要求使用者有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，并要做大量的工程測(cè)試；（3）文中使用的是歸一參數(shù)整定法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)多變量、相互耦合較強(qiáng)的系數(shù)，人為地設(shè)定“約束條件”，以減少變量的個(gè)數(shù)，達(dá)到減少整定參數(shù)數(shù)目，簡(jiǎn)易、快速調(diào)節(jié)參數(shù)的目的。對(duì)比上述三種方式，歸一參數(shù)整定法有簡(jiǎn)單、快速的優(yōu)勢(shì)。