风力摆控制系统(B题)报告.doc

2015年全国大学生电子设计竞赛 （题） 【组】 20年8月日 摘??要? 在当今的现代化社会，科技发展迅速，尤其是单片机技术的开发、发展以及应用，出现了众多基于单片机技术而研发的产品，为我们的生活提供了极大的方便。? 本作品基于AT89S52单片机设计的风力摆控制系统，设计选用AT89S52单片机为主控芯片，由风力摆姿态检测、算法处理、空心杯电机控制和液晶显示等部分组成，以完成风力摆控制的功能，设计的重点在于运动控制的准确性以及尽量缩短达到规定的运动状态的时间。运用mpu6050六轴陀螺仪实时获取风力摆的运动姿态，单片机处理姿态角数据后通过PID精确算法调节空心杯电机以控制风力摆。? 本系统实现了风力摆在仅受空心杯电机为动力控制下迅速起摆、画线、恢复静止的功能，并能准确画圆。具有良好的人机交互界面，各参数及测试模式可由按键输入并通过液晶显示，智能性好。 关键词：风力摆控制；?AT89S52； mpu6050六轴陀螺仪；?精确；?迅速 目 录 ……………………………………………………..…………………………....Ⅰ 一、系统方案 1 1、控制器模块的论证与选择 1 2、角度检测方法的论证与选择 1 3、风机的论证与选择 2 二、系统理论分析与计算 2 1、卡尔曼滤波算法 2 2、风力摆运动控制的分析 3 3、PID算法 3 三、电路与程序设计 4 1、电路的设计 4 （1）系统总体框图 4 （2）电路原理图 5 （3）电源 5 2、程序的设计 5 （1）程序功能描述与设计思路 5 （2）程序流程图 6 四、测试方案与测试结果 6 1、测试方案 6 2、测试条件与仪器 6 3、测试结果及分析 7 （1）测试结果(数据) 7 （2）测试分析与结论 8 五、结论与心得 8 六、参考文献 8 风力摆控制系统（题） 【组】 系统方案 本系统主要、电源模块模块模块模块，下面分别论证模块的选择。 1、的论证与选择 综合以上种方案，选择方案。 2、的论证与选择 的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)，可准确追緃快速与慢速动作综合以上三种方案，选择方案三。、论证与选择 图3 左：空心杯 右：小型直流风机 二、系统理论 1、 现设线性时变系统的离散状态方程和观测方程为： X(k) = F(k,k-1)·X(k-1)+T(k,k-1)·U(k-1) Y(k) = H(k)·X(k)+N(k) 其中 X(k)和Y(k)分别是k时刻的状态矢量和观测矢量 F(k,k-1)为状态转移矩阵 U(k)为k时刻动态噪声 T(k,k-1)为系统控制矩阵 H(k)为k时刻观测矩阵 N(k)为k时刻观测噪声 则卡尔曼滤波的算法流程为： 1.预估计X(k)^= F(k,k-1)·X(k-1) 2.计算预估计协方差矩阵 C(k)^=F(k,k-1)×C(k)×F(k,k-1)+T(k,k-1)×Q(k)×T(k,k-1) Q(k) = U(k)×U(k) 3.计算卡尔曼增益矩阵 K(k) = C(k)^×H(k)×[H(k)×C(k)^×H(k)+R(k)]^(-1) R(k) = N(k)×N(k) 4.更新估计 X(k)~=X(k)^+K(k)×[Y(k)-H(k)×X(k)^] 5.计算更新后估计协防差矩阵 C(k)~ = [I-K(k)×H(k)]×C(k)^×[I-K(k)×H(k)]+K(k)×R(k)×K(k) 6. X(k+1) = X(k)~ C(k+1) = C(k)~ 重复以上步骤 2、风力摆运动控制的分析 风力摆采用4只20W的空心杯电机为动力驱动系统。陀螺仪传感器模块采集风力摆当前角度，单片机处理角度信息调节输出PWM的占空比，控制四只电机的工作状态，从而实现对风力摆的控制。 3、 本系统采用PID算法来控制风机转动的速度。风机开始工作后，姿态采集模块不断采集当前风力摆姿态角状态，并与之前的状态比较，使得风力摆的运动状态逐渐趋向于平稳。PID算法控制器由转动角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。 其输入e(t）与输出U(t）的关系为： 它的传递函数为： 风力摆转动角度比例P：对风力摆角速度进行比例调整，即对舵机转动速度调整。比例越大，调节速度越快。但不能过大，过大可能造成四风机因工作状态突变而是摆杆不稳定。 角度误差积分I：使系统消除稳态误差,提高无差度。加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。本系统追求更快更稳完成对风力摆的控制，因此，本系统对积分调节的需要就非常弱。即保证在不需要时系统不会受到影响。 角度微分D：微分