基于stm32mini版的PID液位控制器設計附源程序

ID:649697 · 發(fā)表于 2021-7-5 18:33

這是學完微型計算機控制要求制作的一個實驗，由幾個供學習用的STM32例程拼接而成，能實現(xiàn)簡單的液位控制，不足的地方很多，參數(shù)也還要根據(jù)自身情況調整，第一次發(fā)帖，大佬看到多指教。
首先簡單介紹一下用到的硬件：
液位傳感器：

工作電壓：2.0V-5.0V
輸出類型：模擬量輸出
檢測深度：48mm
產品尺寸：19.0mm*63.0mm
固定孔尺寸：2.0mm
原理：該模塊主要是利用三極管的電流放大原理，當液位高度使三極管的基極與電源正極導通的時候，在三極管的基極和發(fā)射極之間就會產生一定大小的電流，此時在三極管的集電極和發(fā)射極之間就會產生一個一定放大倍數(shù)的電流，該電流經過發(fā)射極的電阻產生電壓供AD轉換器采集。原理：該模塊主要是利用三極管的電流放大原理，當液位高度使三極管的基極與電源正極導通的時候，在三極管的基極和發(fā)射極之間就會產生一定大小的電流，此時在三極管的集電極和發(fā)射極之間就會產生一個一定放大倍數(shù)的電流，該電流經過發(fā)射極的電阻產生電壓供AD轉換器采集。

[backcolor=rgb(54, 165, 232) !important]接口說明

引腳號	標識	描述
1	AOUT	模擬量輸出
2	GND	電源地
3	VCC	電源正(3.3V-5.0V)

資料官網(wǎng)：www點waveshare點net/wiki/Liquid_Level_Sensor

官網(wǎng)自帶的傳感器插入水深和輸出電壓的關系本人并沒有驗證過，輸出的電壓和采樣值的轉換關系是可以自己寫的，這里做了簡單的深度和采樣值轉換，不過后面感覺作用不大，實驗只要求能控制在不同水位即可，即改變一下采樣值。想要準確的控制在某一個高度，確定一下該高度和采樣值的對應關系就行！

大致如下：
float trans(float a)
{
      float b=a,c=0;
      if(b<=0.5)
            c=b*(1450.0/0.5);
      if(b>0.5&&b<=1)
            c=(b-0.5)*((1700.0-1450)/0.5)+1450.0;
      if(b>1&&b<=1.5)
            c=(b-1.0)*((2000.0-1700)/0.5)+1700.0;
      if(b>1.5&&b<=2.0)
            c=(b-1.5)*((2150.0-2000.0)/0.5)+2000.0;
      if(b>2.0&&b<=2.5)
            c=(b-2.0)*((2240.0-2150.0)/2.5)+2150.0;
      if(b>2.5&&b<=3.0)
            c=(b-2.5)*((2310.0-2240.0)/3.0)+2240.0;
      if(b>3.0&&b<=3.5)
            c=(b-3.0)*((2360.0-2310)/0.5)+2310;
      if(b>3.5&&b<=4.0)
            c=(b-3.5)*((2420.0-2360.0)/0.5)+2360.0;
      if(b>4.0&&b<=5)
            c=(b-4.0)*((2500.0-2420.0)/1.0)+2420.0;

      LCD_ShowxNum(156,150,b*10,4,16,0);//顯示一下目標深度，單位毫米

      return c;

}
本來想輸入深度然后到達目標深度的，但是發(fā)現(xiàn)采樣波動大，效果不是很好，這就是一個簡單的分段線性轉換，測的分段越多越準

傳感器官網(wǎng)中有教學，利用正點原子的ADC實驗例程也能夠查看采樣值和轉換電壓值，這為了方便直接移植，沒有改變它的采樣端口，用的還是PA1作為模擬輸入端口，電源接STM32的3V電源，

驅動模塊是L298N,簡單的資料如下，知道基本的驅動方法就能用，想知道更詳細的網(wǎng)上資料很容易找給多一張原理圖：

實物如下：

模塊參數(shù)

1.驅動芯片：L298N雙H橋直流電機驅動芯片

2.驅動部分端子供電范圍Vs：＋5V～＋35V ；如需要板內取電，則供電范圍Vs：+7V～+35V

3.驅動部分峰值電流Io：2A

4.邏輯部分端子供電范圍Vss：＋5V～＋7V（可板內取電＋5V）

5.邏輯部分工作電流范圍:0～36mA

6.控制信號輸入電壓范圍：
低電平：－0.3V≤Vin≤1.5V
高電平：2.3V≤Vin≤Vss

7.使能信號輸入電壓范圍：

低電平：－0.3≤Vin≤1.5V（控制信號無效）
高電平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信號有效）

8.最大功耗：20W（溫度T＝75℃時）

輸入邏輯圖如下：

抽水泵用到的是輸出A,由使能端口A控制，其正反轉由旁邊的兩個輸出的IN1和IN2電平高低決定，具體關系看表，要用到輸出B的話，原理類似

驅動電源用的是STM32模塊上的5V電源，一開始接的5V供電接口，但是電機最高速度有點慢，后面接到了12供電接口，馬上就猛起來了，真是讓人摸不著頭腦

使能端口即PWM輸出控制速度由pin8控制，電機的啟動則由pin11和pin12控制，想換的改一改就行

說一說這個PID的吧，經常用到的控制方法之一，大部分代碼都是用現(xiàn)成的，所以整個實驗做下來要寫的也就一個PID和梯度線性轉換

PID控制又稱偏差控制，當實際值與目標值有差異時，偏差控制就起作用，這里是使用增量型PID算法，由位置型推導而出

PID的分別基本含義找到一個比較好的解釋：

P - 比例部分

比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間作出反應。偏差一旦產生控制器立即產生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。控制作用的強弱取決于比例系數(shù)Kp，比例系數(shù)Kp越大，控制作用越強，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易產生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù)Kp選擇必須恰當，才能過渡時間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。

I - 積分部分

從積分部分的數(shù)學表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增加；只有在偏差e(t)＝0時，它的積分才能是一個常數(shù)，控制作用才是一個不會增加的常數(shù)。可見，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。

積分環(huán)節(jié)的調節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應速度，增加系統(tǒng)的超調量。積分常數(shù)Ti越大，積分的積累作用越弱，這時系統(tǒng)在過渡時不會產生振蕩；但是增大積分常數(shù)Ti會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的時間也較長，但可以減少超調量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當 Ti 較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產生振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。所以必須根據(jù)實際控制的具體要求來確定Ti

D - 微分部分

實際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調節(jié)過程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量做出立即響應（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢預先給出適當?shù)募m正。為了實現(xiàn)這一作用，可在 PI 控制器的基礎上加入微分環(huán)節(jié)，形成 PID 控制器。

微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢（變化速度）進行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對髙階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。

這里利用目標值-采樣值得出一個反作用誤差

增量利用這個誤差進行計算

把增量疊加到速度控制的PWM輸出值上

代碼如下：

void PIDcontrol(float a)

{

float p=13;

float i=2;

float d=1;

float adduk=0;

float expvalue=trans(a); //設置水深和采樣值的轉化

e=expvalue-Adcvalue; //偏差計算

adduk=p*(e-e1)+i*e+d*(e-2*e1+e2); //增量計算

e2=e1; //刷新一下

e1=e;

vt+=adduk; //更新轉速

if(vt>900) vt=900; //防止越出

if(vt<0) vt=0;

TIM_SetCompare1(TIM1,900-vt);

LCD_ShowxNum(156,70,Adcvalue,4,16,0);//顯示采樣值

LCD_ShowxNum(156,90,expvalue,4,16,0);//顯示目標值

LCD_ShowxNum(156,170,vt,4,16,0);//顯示轉速情況

LCD_ShowxNum(156,190,e,4,16,0);//誤差顯示

}

在PWM輸出中，分頻是7200，但是經過測試到了3千多電機就停止轉動了（pwm設置原因，數(shù)值越高越慢，這就是為什么要900-vt控制轉速），之所以設置最低900，是因為電機停止轉動后出水太快液位降得太快導致液面波動劇烈，調這個數(shù)值可以令最低速時液面下降慢點，視具體情況而定，
歸根結底算法細節(jié)沒處理好，比較粗糙，可以考慮PID放進定時器中、增加按鍵控制目標數(shù)值等，反復下載麻煩

這是開始時的一張圖片，目標水位是沒過傳感器13毫米，轉換成采樣值是1880，現(xiàn)在誤差是1880，轉速達到最快900，寫的時候實物不在手上。對應最后穩(wěn)定階段沒了，裝水的也沒拍，這樣另外一張的穩(wěn)定狀態(tài)

這個是一個達到穩(wěn)定的，10毫米對應采樣值1700，此時ADC采樣是1720，誤差因為延遲沒顯示出來，但是超過目標值電機轉速達到最慢0

想把手冊也上傳上來，結果超過20M,看來需要的自行下載吧
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1O5qqnvEDdLQAIcO_-Yh3GA 提取碼：pk1x
關于STM32mini的更多資料例程等：www點openedv點com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32f103_mini.html

寫著玩意原來還有些麻煩，和寫文檔似的= =，唉，看來自己著實沒耐心，感謝哪些寫出長篇大論的大佬給我?guī)磉^的幫助，自己寫的亂糟糟的

程序可從51hei下載附件:

ADC實驗.7z (229.12 KB, 下載次數(shù): 39)

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