风力摆控制系统的设计与测试

2018-03-15 08:43:07李政清

山西电子技术 2018年1期

李政清

(三亚学院理工学院，海南三亚 570200)

0 前言

风力摆是一种通过风机作为唯一动力驱动系统，在规定时间内完成规定轨迹的控制系统，且在风力摆启动后不得以任何人为方式影响其运动。风力摆控制系统作为一个控制装置，其形象十分直观，结构较为简单；而将其作为一个被控对象，它又显得相当复杂。就本身而言，风力摆是一个稳定性随着时间与外部环境变化较为复杂的非线性系统，所以在对风力摆的控制中必须采取行之有效的方法，它才能稳定工作。风力摆控制系统的稳定效果十分明显，对它的度量可以通过直接观测其响应速度、轨迹重合度以及线性误差来判断，一目了然。

1 力学模型分析

风力摆由摆杆下端点处的轴流风机驱动，横梁和摆杆之间由万向节相连，当摆杆转动时，摆杆可绕万向节在垂直于底座的空间内转动。风力摆在运动过程中可以做类似自由摆或圆锥摆运动，其摆动示意图如图1所示。

图1 自由摆示意图

(1)

式中：m为自由摆系统的重量，h为摆动的最大高度，v为最低点时的摆动速度，W为摆动过程中的能量损耗。此外，风机在控制风力摆速度时可依据动量定理，即系统所受冲量为动量的变化量，即：

Ft=mv2-mv1.

(2)

F为风机产生的推动风力的合力，t为风力作用时间，v2和v1分别为风力作用前后摆的运动速度，其方向与合力方向一致。根据这两定律，我们可以推算出风摆在运动过程中受到阻力所产生的能量损耗，进而推算出补偿这些能量损耗需要施加风力的大小、方向、位置及时间，以控制风摆的运动。

若将风力摆所做类似自由摆运动看成理想单摆，对其受力分析可由牛顿第二定理得：

ma=-mgsinθ.

(3)

因为：

(4)

代入(3)得：

利用计算机的强大数据采集功能，将运算方法、运算公式及数据处理的质量要求集成，形成数据处理模块，再通过机算机的数据汇总整合系统，将检测结果自动汇总．既减少了人工数据计算及审核过程，提高数据取用的时效，同时避免了人工计算的错误发生．制作检测原始记录模板，将与检测结果相关的信息全面、规范地采集，确保检测数据的追溯性．

(5)

(6)

当θ很小时，sinθ=θ解得方程：

θ(t)=C1eiw0t+C2e-iw0t.

(7)

若θ为实数，则有θ*=θ，代入(7)得

(8)

有阻尼和有驱动力单摆的运动方程为：

θ″+2β′θ+sinθ=fcosΩt .

(9)

2 PID算法与控制

图2 风力摆控制流程

在该风力摆系统中，杆长h，装置在运动过程中的俯仰角θ1和横滚角θ2可由MPU-6050传感器测得，可得到激光坐标：

X=h×tan(θ1-βx)
Y=h×tan(θ2-βy) .

(10)

3 系统设计

风力摆控制系统主要由核心控制模块、电源管理模块、风机驱动模块、位置检测模块和人机交互模块构成。

3.1 核心控制模块

主控芯片为STM32F107FV单片机，是低功耗，高性能微控制器，可以在2 V供电的情况下运行，在所有设备同时打开且运行在满速72 MHz主频时，最大电流36 mA，在与Cortex-M3内核的低功耗模式结合之后，仅有2 uA的电流。当外部振荡器处在待启动状态，使用内部8 MHz的RC振荡器也可迅速退出低功耗模式。这种快速进出低功耗模式的特性，也进一步降低了微控制器整体的功率消耗，同时，微控制器仍然可以保持器件的整体高性能[1]。此外需要一组串口作为与电子陀螺仪的通信接口，4路PWM输出和8路普通I/O口作为风机的控制接口。

3.2 摆杆位置测量模块

系统选用6轴位置传感器模块内部集成姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪。高精度的陀螺加速度计MPU6050，通过处理器读取MPU6050的测量数据然后通过串口输出。模块内部自带电压稳定电路，可以兼容3.3 V/5 V的嵌入式系统，连接方便。同时保留I2C接口，以满足高级用户希望访问底层测量数据的需求[2]。