商 林 鐘 雷

（武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065）

在2018 年全國電子設(shè)計競賽備賽過程中，教練組選擇了2015 年全國大學生電子設(shè)計競賽高職組控制類題——風板控制裝置為控制類訓練題，目的在于讓參賽選手了解控制類題目的特點，訓練隊員如何使用定時器、PWM、液晶顯示模塊，如何對PID 算法中的參數(shù)進行整定等。參賽隊員查找相關(guān)資料，其內(nèi)容多為如何用PID 算法去控制風板的系統(tǒng)設(shè)計方案，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板穩(wěn)定的方法。在訓練過程中，系統(tǒng)設(shè)計方案、PID基本算法參賽隊員都能理解，但在實際調(diào)試過程中主要問題表現(xiàn)在：（1）PID 的三個參數(shù)整定困難，調(diào)試時效果不好，花了大量時間，達不到預(yù)期目的；（2）干擾過大，不能滿足控制角度誤差不大于5 度的要求。為了解決上述問題，教練組使用了歸一參數(shù)整定法來選擇PID 的參數(shù)，使用防脈沖干擾平均濾波法來消除噪聲干擾，從而達到控制角度誤差不大于5 度的要求。文中選擇風板保持90度角為實驗任務(wù)，要求正負誤差不超過5度，自制系統(tǒng)如圖1 所示。系統(tǒng)包括STC15W 單片機、數(shù)字電位器、按鍵、L298N 電機控制器、2 個風機、12864LCD 屏、UART_Oscilloscope 等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示［4］。該系統(tǒng)首先通過數(shù)字電位器采集風板當前的角度，STC15W 單片機采集供電電壓，經(jīng)過濾波消除干擾，再通過PID 算法去調(diào)整風機的轉(zhuǎn)速，從而控制風板保持在設(shè)定的角度。

圖1 自制風板模型

圖2 系統(tǒng)框圖

1 風板穩(wěn)定工作的條件

對于風板穩(wěn)定運行的條件，文獻介紹甚少，教練組從研究風板穩(wěn)定運行的影響因素、PID 算法的改進、軟件濾波等方面著手，最后實現(xiàn)了風板穩(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，此時系統(tǒng)可真實地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。從風板控制系統(tǒng)的隨動和風機抗干擾的性能來看，風板系統(tǒng)要求采樣周期短些，訓練中，隊員使用UART_Oscilloscope 軟件測量角度傳感器波動的頻率，軟件顯示角度傳感器波動頻率為10HZ左右，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，可以選擇50ms 的定時器T0為基準采樣定時器。

采樣周期也不能過短，過短的采樣周期導致風機的轉(zhuǎn)速由于采樣干擾導致的誤差使風機轉(zhuǎn)速頻繁調(diào)節(jié)變動，也不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.2 其他硬件和訓練細節(jié)

對于角度的測量，角度傳感器選用了數(shù)字電位器，最大電壓為5V，通過測量角度和實際電壓之間的關(guān)系，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗證，角度和電壓的關(guān)系為：angle=-85.51*AD_data+309.9，其中angle為風板的角度，AD_data 為當前角度時數(shù)字電位器A/D值。

對于風機的控制，為了便于控制風板，如果風板角度小于90 度，選擇右邊風機為定速，它的PWM 值為100 到150 之間；如果風板角度大于90度，選擇左邊風機為定速，PWM 值為100 到150 之間。這是控制風板穩(wěn)定方法之一，該方法避免了兩個風機一起調(diào)速，有利于風板的穩(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值雖然準確，但通過公式angle=-85.51*AD_data+309.9 轉(zhuǎn)換后，并不是真實的角度。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)帶來的測量誤差，訓練時另外開了一個通道，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I/O 口的A/D 采集原理，可計算出AD_data=AD_temp2*2.5/AD_temp1，通過采集數(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)導致?lián)Q算出的角度誤差，經(jīng)過換算角度為：angle=-85.51*AD_data+309.9，并放在get_AD（）采集函數(shù)中。該方法克服了過去由于數(shù)字電位器的電壓不穩(wěn)定導致的測量誤差，是控制風板穩(wěn)定方法之二。

2 軟件設(shè)計

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，只需確定一個參數(shù)pid.Kp 就能計算出增量PID 算法的增量值，減少了調(diào)試工作量。實際效果如圖4 所示，設(shè)定值為200，pid.Kp=0.095，經(jīng)過20 次的運算，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。針對采集數(shù)字電位器輸出電壓過程中出現(xiàn)的隨機干擾，采用了防脈沖干擾平均濾波法消除干擾，對于偶然出現(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個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數(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，要消耗單片機的內(nèi)存，排序時也比較費時，但訓練時，隊員選擇的是STC15W 系列單片機，它有24MHZ 的晶振，24K 的SRAM。使用中N 值為7，對N 次采樣值排序時，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）的時間復(fù)雜度，可以通過修改N 的值來改變算法的復(fù)雜度，STC15W 系列單片機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)字電位器當前角度的采樣值，是控制風板穩(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 運算，得到新的增量，再通過計算出新的PID 增量去調(diào)節(jié)PWM 的參數(shù)，改變電機的轉(zhuǎn)速，達到角度穩(wěn)定在設(shè)定的角度，并保證5 度的誤差，本訓練選擇風板穩(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）；//風機轉(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值

PWM_SET（PID_realize（90），120）；

flag=0；

｝

……

｝｝

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

｛ ……省略代碼

value_AD［num1］= get_AD（）；//采集當前電壓

num1++；

if（num1==N）

｛

num1=0；

flag=1；

｝

｝

測試過程中，采集角度時，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)過濾波后，使用了參數(shù)整定法計算了PID 算法的增量，最后去做PWM調(diào)速。

3 測試結(jié)果分析

隊員用手轉(zhuǎn)動風板，放在90 度，再找一硬物支撐固定住風板，減少用手扶住風板時人為晃動引起的干擾，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UART_Oscilloscope軟件，用USB 轉(zhuǎn)換線連接PC 與開發(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，用手移動風板，移動瞬間，UART_Oscilloscope 中的波形跟隨變化，不動風板，幾乎又是平直的直線，波形看不到過沖和毛刺。用UART_Oscilloscope 軟件來測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)定風板的控制角為90 度，風板?？吭谧筮?，啟動程序后，左邊風機全速旋轉(zhuǎn)，風板被吹起，往右快速移動，隨著風板右移，左邊風機的轉(zhuǎn)速變慢，風板慢慢靠近90 度角，并有輕微的擺動，但滿足5 度偏差的要求。用手掌輕輕接近離右邊風機進風口3 到5 厘米的位置，可以看到風板右移，但左邊風機迅速減慢了轉(zhuǎn)速，風板又回到90度左右。

4 結(jié)束語

文中采用了防脈沖干擾平均濾波法濾除了采樣時的干擾，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)定風板的角度為90 度，觀察結(jié)果滿足角度誤差的要求，達到了訓練目的。PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法有多種，常見的有：（1）理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)；（2）工程整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，在工程實際中被常常采用，它要求使用者有豐富的工程經(jīng)驗，并要做大量的工程測試；（3）文中使用的是歸一參數(shù)整定法，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對多變量、相互耦合較強的系數(shù)，人為地設(shè)定“約束條件”，以減少變量的個數(shù)，達到減少整定參數(shù)數(shù)目，簡易、快速調(diào)節(jié)參數(shù)的目的。對比上述三種方式，歸一參數(shù)整定法有簡單、快速的優(yōu)勢。