风力摆控制系统-电子设计竞赛项目设计报告

Summary

The

use

and

control

of

wind

power

is

currently

a

vigorous

development

of

the

international

technology,foreign

wind

control

has

been

more

mature

technology,and

the

domestic

is

still

in

its

infancy.

Wind

control

test

factors

are

more

complex,to

achieve

more

accurate

control

or

even

automatic

adjustment

of

the

control,is

a

difficult

point

for

the

control

of

the

algorithm

requires

a

higher.

2015

electronic

design

contest

control

category

is

the

wind

swing

control

system,the

need

to

complete

the

high

precision

control,which

also

reflects

the

control

of

the

general

trend

from

the

logic

to

the

algorithm,from

simple

one-dimensional

plane

control,to

complex

space

In

the

control.

Based

on

the

topic

of

the

2015

Electronic

Design

Contest,we

also

tried

the

wind

swing

control

and

completed

the

project.

Keywords:

wind

swing,STM32,six

weeks

sensor,PID

algorithm

三、设计报告正文

1、总体方案设计

任务

一长约

60cm~70cm

的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组（2~4

只）直流风机，构成一风力摆。风力摆上安装一向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过

20cm设计一测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地面画出要求的轨迹。

1.

基本要求

（1）

从静止开始，15s

内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地

在地面画出一条长度不短于

50cm

的直线段，其线性度偏差不大于±

2.5cm，并且具有较好的重复性；

（2）

从静止开始，15s

内完成幅度可控的摆动，画出长度在

30~60cm

间可设置，长度偏差不大于±2.5cm

的直线段，并且具有较好的重复性；

（3）

可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s

内按照设置的方向（角度）

摆动，画出不短于

20cm

的直线段；

（4）

将风力摆拉起一定角度（30°~45°）放开，5s

内使风力摆制动达到静止状态。

2．发挥部分

（1）

以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画

圆，30s

内需重复

3

次；圆半径可在

15~35cm

范围内设置，激光笔画出

的轨迹应落在指定半径±2.5cm

的圆环内；

（2）

在发挥部分（1）后继续作圆周运动，在距离风力摆

1~2m

距离内用一台

50~60W

台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹

5s

后停止，风力摆能

够在

5s

内恢复发挥部分（1）规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的

轨迹。

通过MPU6050六轴传感器采集角度数据，融合PID算法，动态输出PWM波控制直流风机的转动，达到较为精确的控制，利用模拟正弦曲线与李萨如图线的合成完成题目要求。

①首先搭建风力摆构架选择题目中要求的万向节达到灵活的转动。应用碳素管达到减轻整体装置重量的效果，更加灵活。

②电机选择

在直流无刷电机与空心杯之间进行选择，直流电机推重比较大但质量大，故使用轻便小巧且推重比较大的空心杯电机（直流电机）达到比较好的制动效果。

③主控选择

我们采用stm32f103芯片作为主控芯片，因为其处理速度很快，内存容量大，有许多高速定时器，适合类似于风力摆之类的高采样率，计算复杂，需要短时间内完成精确控制的项目，可以很好的完成任务。

④传感器选择

使用MPU6050模块，自身集成有数据处理模块，大大减轻主控单片机负担，相对于角度传感器，可以反馈的角度值更有利于空间中位置的测定，支持I2C高速传输，采集数据更加快，有利于精确控制。

⑤采用L298N集成模块，实现对风机转速与翻转的直接控制。

⑥算法选择

PID算法与模糊算法之间选择，模糊算法可以把误差控制在一定范围之内，但会出现抖动，不够稳定，所以使用PID算法，可以实现对期望目标值的动态追踪，相对于模糊算法更加精确、稳定、速度更快

。

在受干扰后可以迅速恢复原状态。

⑦通过对采样周期的计算调整，模拟出准确的正弦曲线，产生动态期望值。

⑧物理模型

X=A1sin(ω1t+ψ1)

Y=A2sin(ω2t+ψ2)

利用相位差一定的两条正弦曲线模拟出李萨如图像，完成任意角度的直线段摆动与任意半径圆曲线的跟踪，相对于其他画圆方法（例如bresenham画法），此方法较为精确、流畅，曲线更加圆润。

⑧TFTLCD液晶显示屏对角度数据，输入参数的显示的实时显示，增强可操作性。

2、单元模块设计

①MPU6050模块

②stm32f103

③L298驱动

3、系统调试

波形图为模式四的摆动曲线

4、系统功能，指标参数

1.在5s内，画一条50至60cm的直线，左右偏差不大于2cm。

2.在5s左右，画出一条长度在30至60cm的可改变长度的定长直线且任何方向偏差不大于2.5cm。

3.在5s内，画出任意角度可调的不短于30cm的直线，直线稳定后摇摆不超过2.5cm。

4.任意方向拉起摆≥45°在6s内可以恢复静止。

5.可以在5s内画出直径30至60cm可调的圆，且不超出目标半径圆为中心的2.5cm的圆环。

6.在画圆模式下，强外力干扰下，5s内恢复画圆。

7.在模式一与模式二的画直线模式下，强外力干扰，可在4s内恢复直线。

5、设计总结

1.对于更高级PID算法的使用。

2.画出的圆不绝对圆。

四、附件

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