風力擺控制系統賽題解析與stm32源代碼

ID:161768 · 發表于 2017-8-11 02:54

第一步，控制系統選型：剛才說了，我們需要做一個伺服隨動控制系統，通常衡量伺服系統

性能的指標有“帶寬”、“精度”、“抗干擾能力”等。先說系統帶寬，帶寬反映風力擺跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。風力擺控制系統的帶寬主要受到控制對象和執行機構的慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。根據題目要求做“自由擺運動”，由單擺周期公式可以求得風力擺的擺動周期 T 在 1.3-1.6 秒之間，換算成頻率 f 在 0.625-0.77Hz 之間，大家可以自己掐表計算一下擺動的周期。由此可知我們需要設計出一個帶寬大于 0.77Hz 的控制系統（取0.8Hz）即可完成題目的要求。出題的專家制定的這個指標還是簡單的，要知道現代伺服控制系統帶寬已經超過了 50Hz。角度采樣率根據奈奎斯特采樣定理，理論上選取 fs>2f 即可，但是題目中要求了系統最大調節時間，為了使得控制效果更好，需要取 fs>10f 甚至更高，在本次設計中采樣率選取 200Sa/s，控制周期 5ms。

第二步，電機選型：這是本題的最大爭議，在此我也不想把這個爭議擴大，所以我不討論電機是否違規的問題。現在從實現效果這個角度來討論電機的選型，不管黑貓白貓，抓到老鼠就是好貓！

我把軸流電機、空心杯電機、無刷電機做成一個表格。

電機	重量	推重比	頻率響應	機動性	抗干擾能力
軸流電機	高	＜0.5	＜2Hz	較低	強
空心杯	低	3~8	4-8Hz	較高	很弱
無刷電機	中	7~12	3-7Hz	高	適中

主要看推重比和機動性這一欄，推重比、機動性是航空器的專業術語，發動機在水平面上的

最大推力和發動機的凈重之比稱為推重比。機動性是指風力擺在一定時間內改變運動速度、方向的能力。

從這個表格來看，推重比是我們選擇電機的重要指標，而機動性是整個風力擺靈活性的重要指標。注意到賽題目說明部分的第 9 條：“賽題中要求的各項動作完成時間越短越好”。毫無疑問，出題人已經說明了要盡可能的提高系統的機動性。從最優實現效果來看，無刷電機和空心杯電機是更優的選擇。但是為什么有人用軸流電機也能完成題目要求呢？答案就在頻率響應上，第一步已經分析了系統帶寬 0.8Hz 即可滿足題目要求。如果題目規定 15 秒內完成20 個單擺運動，這個難度就上來了，因為用軸流電機的系統帶寬不夠了。但是采用軸流電機有個好處，在圓周運動時即使做開環控制風扇干擾幾乎吹不動。

第三步，傳感器選型：我們再說說精度（檢測誤差），檢測誤差包括傳感器的誤差和機械誤差，是傳感器和機械本身所固有的，控制系統無法克服。根據題目給出的±2.5cm 偏差可以知傳感器精度只要達到 0.5°就可以了，所以用 MPU6050 傳感器是可以達到題目要求的。機械誤差則要求機械完美的對稱，所有的東西都要對稱，機械做的越好，最后出來的效果就越好。至于傳感器的數據融合、濾波器設計部分請看程序貼圖：計算三次角度然后求平均值，再經過卡爾曼濾波器濾波的角度值就可以使用了。角度數據一定要穩定，無高頻干擾！[/hide]

算法設計

當硬件 OK 以后算法就是整個系統的核心靈魂了，俗話說條條大路通羅馬，能夠達到題目要求的方法有很多，這次比賽童鞋們用的算法大概有幾種方式：邏輯判斷法、查表法，定點 PID 法，力合成法，矢量方程法等等。有的隊直接采用查表法開環控制也能取得不錯的成績，只要能夠達到要求的算法都是OK 的。

說一下我的算法設計吧，出題人在第一問就告訴了要做自由擺運動，從自由擺可以聯想到

2011 年的 B 題——基于自由擺的平板控制系統。這是一個單擺，但是單擺是非線性運動，我們通常會把非線性的東西通過某種思路去近似成線性的（如二極管的伏安特性曲線等效模型），在單擺中，當采樣率足夠高時兩個采樣點之間的連線可以近似看成是線性的,有木有感到很熟悉？在高中物理學過了簡諧運動，物體所受的力跟位移成正比，并且總是指向平衡位置。這是一種由自身系統性質決定的周期性運動。（如單擺運動和彈簧振子運動）實際上簡諧振動就是正弦振動！其數學方程為θ(t)=Asin(ωt+ψ)，A 是振幅，ω是頻率，ψ是相位。

好！說到這，來直接看一下題目第二問的要求（第一問直接跳過）。題目要求幅度可控，幅度可控是啥？不就是振幅 A 可控嘛，可控范圍是多少？30-60cm 換成角度。好了，分析完了，第二問就是一個 A 可設置的正弦運動，OK。至于線性度偏差，只要你機械搭對稱了，這都不是問題，況且別忘了有 X,Y 兩個方向的電機呢。

把第二問的程序貼圖出來：

第三問，擺動方向可設置。這里需要介紹一個知識點了：李薩茹圖形。當風力擺同時參與兩

個相互垂直方向的簡諧振動,風力擺的位移是這兩個振動的位移的矢量和,如果兩個振動的頻率具有整數比關系時,風力擺的運動路徑是穩定的封閉的曲線，這些曲線即李薩如圖形。具體的理論推導和計算這里就不貼出來了，可以自行百度，現在直接把結論貼出來，李薩茹圖形由以下參數方程定義：

x(θ)=Asinθ y(θ)=Bsin(θ+ψ)

若 A=B，ψ=任意，則曲線是橢圓；

若 A=B，ψ=π/2 或 3π/2，則曲線是圓；

若ψ=0 或π，則曲線是直線段。

直接看圖清晰明了，第三問我們只需要在 X,Y 方向分別進行頻率相同，相位ψ=0 或π，振幅A,B 可設置的簡諧運動即可很好的完成題目的要求。例如，想要 45°怎么辦？tan45=1，設置振幅 A/B=1 即可：

x(θ)=10*sinθ y(θ)=10*sinθ

例如，想要 60°怎么辦？tan60=根號 3，設置振幅 A/B=根號 3 即可：

x(θ)=根號 3*sinθ y(θ)= 1*sinθ

例如，想要 120°怎么辦？tan120=-根號 3，設置振幅 A/B=-根號 3 即可：

x(θ)=-根號 3*sinθ y(θ)= 1*sinθ 細心的童鞋一定會發現，出題人對第三問的要求簡單了，只要求擺動角度可控，但是通過上述方法不僅角度可控，擺長也是可控的！

把第三問的程序貼圖出來：

第四問，5 秒內能夠制動。這個沒有什么運動路徑可言，純粹是考察大家的 PID 是否熟練掌

握，PID 目標值設為 0°即可。注意 D 要給大一些，不要有積分。第四問的程序圖：

第五問，畫圓。出題人通過基礎部分一步一步引導完成畫圓，真是用心良苦。如果能夠領會出題人的想法，把第二問、第三問完成好，這一問是水到渠成的事情。再次把第三問的圖貼出來，如何畫圓？

若 A=B，ψ=π/2 或 3π/2，則曲線是圓！ OK！完成了，這是圓，而且畫出來很圓！如果畫出了橢圓，一定是相位ψ有偏差，調節一下相位即可！

第五問的程序貼圖：

細心的童鞋會發現，題目做到這一步，θ(t)=Asin(ωt+ψ)這個方程就是貫穿本題的核心！如果你的系統做得足夠好，就會發現這個方程的每一個參數你都可以自由的控制，結果就是你不僅可以讓擺幅可控、擺動周期可控、擺動方向可控，而且可以畫出以下這些曲線：

第六問：畫圓抗干擾。考察伺服系統的抗擾動能力，出題人用這一問來把開環，半開環控制

和閉環控制的隊伍拉開距離。當一個干擾過來的時候，風力擺的運動方程肯定不是 θ(t)=Asin(ωt+ψ)了，題目給出了系統最大調節時間為 5 秒，能夠在 5秒內恢復 Asin(ωt+ψ) 即可。這就牽扯到了伺服控制系統的重要指標——快速跟蹤和準確定位。有很多種算法可以選擇，例如常見的 LQR、自適應、模糊控制、神經網絡等等。相信絕大部分還是用了經典的 PID 算法，簡單，快速，效果尚可！就看誰的 PID 調得熟練了，這個需要功夫在平時，多調多想多看就 OK！PID 需要調成大概是這樣的波形，能夠在一個周期之內快速跟蹤正弦運動：

如果你調成這樣的波形是不行的，需要把 K 降下來，D 調高：

如果調成這樣，波形相似相位跟不上，系統慣性大，請把 D 調高。

第七問：其他部分，今年出題人給其他項分配了 10 分，想拿高分的隊伍是必須拿下這 10 分的。前面說了，如果你的控制器做得足夠好，是能夠畫出花樣百出的圖形的，有很大的發揮余地。有的隊伍是畫三角形、正方形、畫 8 字，有的是做跟蹤物體、手寫寫字、畫斜直線，做漂亮的 GUI 界面等等都有。根據以往經驗，在有限的時間內建議不要把時間花在漂亮的 GUI 界面上，要放在更多的運動控制上，牢牢把握題目考察的側重點拿分！

總的來看，今年這道題目難度適中，出題人還是考慮得比較周全的，讓各種風機各種算法都能夠達到要求，眾口難調，確實不簡單。同時也反映了電賽控制類的趨勢。從 2011 年的小車這種純邏輯判斷的題目到 2013 年倒立擺這種定點穩態系統再到 2015 年風力擺的動態跟蹤系統，實現了從邏輯到算法、從靜態到動態、從二維到三維的轉變，準備 2017 年電賽控制類的同學要多多留心了。個人感覺功夫還需在平時，搞突擊是不行的，多參加比賽，多接觸實際的項目好處多多，機會留給有準備的人，相信你也可以！

stm32單片機源程序如下（主程序）:

/*-------------------------------------------------------------------------------------------
風力擺控制系統(2015-8-12)
硬件平臺:
主控器: STM32F103VET6 64K RAM 512K ROM
驅動器: LMD18200T
電源: DC +12V
軟件平臺:
開發環境: RealView MDK-ARM uVision4.10
C編譯器 : ARMCC
ASM編譯器:ARMASM
連接器: ARMLINK
底層驅動: 各個外設驅動程序
時間: 2015年8月12日
作者: BoX
-------------------------------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"
#include "usart1.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "timer.h"
#include "motor_control.h"
#include "motor_pwm.h"
#include "motor_pid.h"
#include "stdlib.h"
#include "indkey.h"
#include "mpu6050.h"
#include "ahrs.h"
#include "math.h"
#include "usart2.h"
/*------------------------------------------
全局變量
------------------------------------------*/
extern uint8_t Q1_Start;
extern uint8_t Q2_Start;
extern uint8_t Q3_Start;
extern uint8_t Q4_Start;
extern uint8_t Q5_Start;
extern uint8_t Q6_Start;
extern uint8_t CurMode;
/*-----------------------------------------
初始化外設
------------------------------------------*/
void BSP_Init(void)
{
DelayInit();
LED_GPIO_Config();
Key_IO_Init();
PID_M1_Init();
PID_M2_Init();
M1TypeDef_Init();
M2TypeDef_Init();
PWM_Init();
TIM1_Config(10000-1,71); /* TIM1 10ms Inturrupt */
TIM5_Config(5000-1,71); /* TIM5 5ms Inturrupt 采樣率200Hz 不能更改*/
USART1_Config();
USART1_printf(USART1," 系統啟動成功!");
USART2_Config();
Display_Title();
MPU6050_Init(); //MPU6050
TIM_Cmd(TIM5,ENABLE); //電機控制都在TIM5完成
TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);
}
/*-----------------------------------------
主函數
------------------------------------------*/
int main(void)
{
BSP_Init();
//角度采樣和運動控制都在TIM5_IRQHandler()中完成
while(1)
{
if(Q1_Start == 1)
{
CurMode = 1;
}
else if(Q2_Start == 1)
{
CurMode = 2;
}
else if(Q3_Start == 1)
{
CurMode = 3;
}
else if(Q4_Start == 1)
{
CurMode = 4;
}
else if(Q5_Start == 1)
{
CurMode = 5;
}
else if(Q6_Start == 1)
{
CurMode = 6;
}
else
{
CurMode = 0;
}
}
}

復制代碼

所有資料51hei提供下載地址（完整源碼+pdf）:
http://www.zg4o1577.cn/bbs/dpj-92234-1.html

ID:405033 · 發表于 2019-4-10 16:36

樓樓，請問這個主控板是什么型號的呢

帳號		自動登錄	找回密碼
密碼			立即注冊

久久久久久久999_99精品久久精品一区二区爱城_成人欧美一区二区三区在线播放_国产精品日本一区二区不卡视频_国产午夜视频_欧美精品在线观看免费

風力擺控制系統賽題解析與stm32源代碼