U U t U
nt U ×==α0若 P W M 脉冲为如图 10所示周期性矩形脉冲,那么与此脉冲等效的直流电压 的计算方法与上述相同,即
(α为矩形脉冲占空比 (公式二 图 10 P W M 脉冲
由公式二可知,要改变等效直流电压的大小,可以通过改变脉冲幅值 U 和 占空比 α来实现,因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的,所以通常通 过控制占空比 α的大小实现等效直流电压在 0~U之间任意调节,从而达到利 用 P W M 控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。
3. 2 角度测量算法
本设计中选用的角度测量传感器为模拟输出型的三轴重力加速度传感器 M M A 7361L ,使用时需要在单片机与角度传感器之间加装模数转换器 A D C 0804, 实际测量中发现其输出的模拟电压值和传感器与平面之间的倾角并非完全的线 性关系,因此在实际编程中我们选择对转折最大的四段分别通过算法处理,减 小误差,算法如下:
if (a d v a l >=107&&a d v a l <125 a d v a l 2=(c h a r (0. 83*(a d v a l -107 ;
i f (a d v a l >=125&&a d v a l <145 a d v a l 2=(c h a r (1. 00*(a d v a l -125 +15 ; if (a d v a l >=145&&a d v a l <157
a d v a l 2=(c h a r (1. 25*(a d v a l -145 +35 ; if (a d v a l >=157&&a d v a l <166
a d v a l 2=(c h a r (1. 71*(a d v a l -157 +50 ;
程序中 a d v a l 为倾角传感器输出的结果经模数转换后得到的数字量结果, a d v a l 2为经算法处理后得到的角度值。
实际应用中使用算术平均值滤波法,取五次测量角度的平均值作为最终的 结果输出,减小角度波动。
3. 3 风扇控制算法分析与选择
为了实现使帆板达到设定角度,并且稳定误差要小,我们考虑过用数字 P I D 控制帆板角度稳定,对一般控制系统来说 P I D 算法的稳定效果比较好,但 参数整定需要经过多次调试才能确定,P I D 控制系统原理框图如图 11。
由图 11可知 P I D 调节器是一种线性调节器,这种调节器是将设定值 w 与实 际输出值 y 进行比较构成偏差,并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控 制量。其动态方程为公式三。
图 11 模拟 P I D 控制系统原理框图 dt t de K dt t e K t e K t u d i p
( ( ( (∫++= (公式三
其中 K p ---为调节器的比例放大系数 K i ---为积分时间常数 K d ---为微分时间常数 P I D 调节器的离散化表达式为公式四 ]1( ( ( ( (??+
+=k e k e T K k Te K k e K k u i p (公式四
其增量表达形式为: 1( ( (??=?k u k u k u ]2( 1(2 ( (]1( ([?+??+
+??=k e k e k e T K k Te K k e k e K i p 其中 T 为采样周期。
可见温度 P I D 调节器有三个可设定参数,即比例放大系数 K p 、积分时间常 数 K i 、微分时间常数 k d 。
比例调节的作用是使调节过程趋于稳定,但会产生稳态误差; 积分作用可消 除被调量的稳态误差,但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定;微分作用能有 效的减小动态偏差。
但在实际测试中我们发现 P I D 算法中的比例系数,积分常数,微分常数的 的确定非常消耗时间,且超调较大,帆板角度波动较大,最终我们选择使用查 表法将风扇能吹起帆板的每个度数所需的电压值逐一记录,并通过 P W M 调节风 扇电机的输入电压,改变风速,并制定一个占空比-角度映射表,写入单片机的 R O M ,然后通过键盘设定角度,查找所需占空比,实现风力调节,并影响帆板角 度。
3. 4 总体程序流程图 程序总体流程图如图 12所示 图 12程序流程图
4. 系统测试
为了确定系统与题目要求的符合程度,我们对系统中的关键部分进行了实 际的测试。
4. 1测试仪器
表 1测试使用的仪器设备 名称、型号、规格 1量角器 1 2踪示波器 1 3数字万用表 1 4直流电压源 1