风力摆设计设计报告

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1、第十二届智能控制设计大赛题目：风力摆设计学院：机械与汽车工程学院专业：机械电子工程队长：蓝海林队员：朱坤财队员：罗培涛起始日期：2017.4.21—2017.5.20本风力摆系统主要包括单片机控制模块，开关电源（电源模块）激光笔及小型轴流风机，以及基于六轴倾角仪mpu6050的闭环控制系统。其中控制模块采用STM32为核心控制芯片，激光笔作为系统的执行机构，3.7V的小型轴流风机作为驱动风力摆的唯一动力，用3.7V的开关电源驱动轴流风机。轴流风机和摆杆通过万向节固定在支架上（用粗股导线将风力摆悬挂在支架上）。固定

2、在支架上，测量得到的角度经过软件处理得到风力摆摆动所需要的PWM值。（本系统的PID算法算法是通过实际经验试验出风力摆的控制规律，稳定的完成风力摆运动过程中激光笔画轨迹。）关键词：风力摆；STM32;轴流风机；PID算法；mpu6050一、系统结构方案与设计11、机械结构设计12、主控芯片的论证与选择13、风力摆结构方案的论证和选择24、运动控制算法的论证和选择2二、系统理论分析与计算21、摆杆位置检测22、风力摆运动控制分析23、控制算法分析2三、电路与程序设计31、电路的设计3(1)STM32最小系统电路4(

3、2)稳压电源电路42、程序的设计4(1)程序功能描述与设计思路4(2)程序流程图4四、测试方案与测试结果51、测试方案52、测试条件与仪器53、测试结果及分析5(1)测试结果(数据)5(2)数据分析与结论7五、结论与丿心'得7六、参考文献8附录1：电路原理图9附录2：源程序11风力摆控制系统设计、系统结构方案与设计1、机械结构设计我们以轻质木条为材料加工成的十字作为风力摆支架的底盘，结构坚固克服摆动时的震动。以空心轻质塑料纤维棒作为摆杆减小了摆动时的口旋，用万向节将摆杆和支架的水平臂连接保证了摆动的灵活性以及达到

4、了摆动角度和速度的精确控制。置于摆杆上的姿态采集模块inpu6050作为系统的闭环控制。四个轴流风机连接成方形作为系统的动力。这样我们就搭建了一个稳定可靠的机械系统，这使系统的各项参数处于比较稳定的状态，有利于后期控制系统的调节。（本系统的PID算法是通过实际经验试验岀风力摆的控制规律，稳定的完成风力摆运动过程中激光笔画轨迹。）图1风力摆结构示意图2.主控芯片的论证和选择方案一：选择STC89C52单片机作为核心控制芯片，该单片机体积小操作简单，价格便宜。因为STC89C52单片机内部没有集成的函数库，且控制芯片

5、外设模块较多，实际软件编写时复杂麻烦。方案二:选择stm32单片机进行系统的控制。STM32系列芯片时钟频率高达168MHz具有512K字节SRAM,具有极强的处理计算能力。较为适合需要快速反应的倒立摆系统。通过比较，我们选择方案二，采用STM32系列的F103C8T6单片机作为控制器。3、风力摆结构方案的论证和选择方案一：采用3个风机连接背向摆成三角形作为摆的结构方案二：用4个风机连接摆成方形。比较：三角形较方形来说结构稳固，且风摆整体重量较轻。但在设置风力摆摆动的任意角度时方形结构容易控制，程序算法较为简单，

6、故采用方形结构。4、运动控制算法的论证和选择方案一：使用LQR控制器进行控制。LQR控制需耍调整两个矩阵，对丁LQR控制來说，需要求解Ricoati方程和确定Q和R权矩阵，算法较为复杂，计算代价较高，相应时间较长，且不易被操作人员理解Q与R矩阵的物理意义。方案二：虽然PID算法调整参数较为麻烦，但PID可以实现单坏稳定，对于PTD控制來说，更容易被人理解，PID控制结构简单，调试方便，易于工程上实现。综上，我们采用PID控制算法对风力摆运动系统进行控制。、系统理论分析与计算1.摆杆位置检测为了检测摆杆的角度，从而

7、判断摆杆的位置。我们采用高精度的串口6轴加速度计/陀螺仪MPU6050模块不断采集杆的位置信息。通过MPU6050模块与单片机的串口通信我们可以一直接获取摆杆的三维角度pitch,roll,yaw。姿态采集模块得到的角用于闭坏控制系统摆动的线路确保激光笔按照要求画出轨迹。2、风力摆运动控制分析风力摆采用4个0.1A的轴流风机作为动力系统。姿态采集模块mpu6050不断采集摆杆的角度，返给单片机处理调节单片机调节风机的珊从而是实现对风力摆的控制。3、控制算法分析本系统采用PTD算法來控制风机转动的速度。风机开始工作

8、后，姿态采集模块不断采集风力摆摆动的角度，并与之前的角度比较使得风力摆的摆动状态趋向平稳。PTD分别表示摆杆的角度比例（P）、角度误差（I）、角度积分（D）。P：对风摆的当前角度偏茅c（t）进行调整，系数越大调节速度越快，减小误差，但是过大的比例，会造成风机速度状态的突变，从而导致摆杆状态不稳定I：加入积分调节，可以消除系统的稳态误差，提高无误差度。系统的稳定性下降，动态