摘要：该文借鉴四轴飞行器的双闭环PID控制算法，解决2015年全国大学生电子设计竞赛B题“风力摆控制系统”。在PID控制器中，运用姿态解算出的欧拉角作为反馈量，角度作为外环，角速度作为内环。再根据X字飞行模式油门输出公式，将双闭环PID控制器的输出融合到电机上，输出油门实现姿态控制。实验结果表明，风力摆控制系统运用双闭环PID控制效果卓越，不仅抗干扰能力强，而且反应迅速。 关键词：双闭环PID；姿态解算；X字飞行模式；风力摆 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）30-0253-03 Double Closed Loops PID Control Based on Wind Swing Control System XU Guan-yu1，2， ZHOU Ye-fan1，2， HUANG Chong-peng1 （1.Wuxi Institute of Technology， Wuxi 214121， China；2. Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China） Abstract： This paper draws on the four axis aircraft double closed loops PID control algorithm to solve the exercise B in 2015 National College Student Electronic Design Contest ―― "wind swing control system". In the PID controller， the Euler angle is calculated by the attitude solution as the feedback， the angle as the outer loop， the angular velocity as the inner loop. Then according to the X word flight mode throttle output formula， the output of the double closed loops PID controller is fused to the motor， the output throttle to achieve attitude control. Experimental results show that the wind swing control system with double closed loops PID control effect of excellence have not only anti-interference ability but also rapid response. Key words： double closed loops PID； attitude calculation； X flight mode； wind pendulum 2015年全��大学生电子设计竞赛B题是“风力摆控制系统”，题目要求风力摆上的激光笔能画出指定图形。由于风力摆控制系统的传感器、执行器与四轴飞行器十分类似，故借鉴四轴飞行器[1]，将双闭环PID控制算法运用到风力摆控制系统上。 1 风力摆控制系统简述 1.1 机械机构 如图1所示，本系统由支架、万向节、细管、风力摆、单片机五部分构成。系统采用单臂梁结构，悬挂臂固定一个万向节。细管上方相连万向节，细管下方连接风力摆，细管自然状态下垂直向下。单片机放置于支架上。 1.2 风力摆结构及选型 风力摆由风机组、加速度陀螺仪传感器、激光笔、支架构成。如图2所示，支架上风机组由4个直流风机构成，呈十字型分布，并且螺旋桨产生的风向内吹，形成起摆动力。加速度陀螺仪传感器放置在支架平面上，能很好地检测运动状态，与直流风机呈X字型分布。激光笔安装在支架下方垂直向下。 2 PID控制 2.1 姿态解算 使用欧拉角来表征风力摆在空间中的姿态，可由加速度陀螺仪传感器解算所得。在本系统中，由于风力摆固定在万向节下的细杆上，故不会产生自旋的现象，即不会产生Z轴上的角度，无需考虑偏航角，仅考虑滚转角、俯仰角即可[2]。 2.2 双闭环PID控制 当风力摆正常运行时，突遇外力干扰（如题述台扇吹风），使加速度传感器采集数据失真，造成姿态解算出来的欧拉角错误。如果只用角度单闭环控制，很难使系统稳定运行，因此可以加入角速度作为内环，角速度由陀螺仪采集，采集值一般不受外界影响，抗干扰能力强，且角速度变化灵敏，当受外界干扰时，回复迅速。风力摆控制系统的双闭环PID控制，欧拉角作为反馈量，角度作为外环，角速度作为内环，外环输出作为内环输入，经积分限幅、输出限幅得到PID输出，并输出到油门，实现姿态控制。其中，油门值即输入电子调速器的PWM波占空比，用于修正风机组各个电机的转速，达到预期的滚转角、俯仰角。 由位置式数字PID计算公式[3]，可得姿态PID控制公式： [AngelPIDOut（t）=kpe（t）+kij=0te（j）T+kde（t）-e（t-1）T] （1） [AngelRatePIDOut（t）=kp'e'（t）+ki'j=0te'（j）T+k'de'（t）-e'（t-1）T] （2） 式（1）为角度环PID计算公式，式（2）为角速度环PID计算公式。[AngelPIDOut（t）]为角度环PID输出，[AngelRatePIDOut（t）]为角速度环PID输出。[e（t）]=期望角度-实际角度，[e'（t）]=[AngelPIDOut（t）]-实际角速度。姿态PID控制流程如图3。 2.3 油门输出计算 上述对滚转角、俯仰角的PID计算，实质是用误差计算力矩。接下来，根据直流风机与加速度陀螺仪传感器的摆放关系，推导出油门输出公式，即用力矩控制油门。 如图4所示，地理坐标系采用东北天坐标系，X向东，Y向北，Z指天。电机摆放为“X”型，在xOy平面上，第一二三四象限对应的电机为2、1、4、3号，4个电机的风均向内吹。 假设电机提供的力矩与油门成正比，如果需要x轴的力矩，则油门值应为：1、2电机正，3、4电机负，记作[1 1 -1 -1]。要增加X轴的力矩，油门需要变化的方向为[dx=]1 1 -1 -1。引入x轴的力矩修正系数：[MOx]，则当需要增加x轴[Δmox]力矩时，油门增量： y轴同理。要增加y轴的力矩，油门需要变化的方向为[dy=-1 1 1-1 ]。 力矩修正系数用于平衡各轴的响应灵敏度，x、y轴的力矩由螺旋桨旋转的合力提供，响应灵敏，用PID控制器的输出表示。把x、y轴的油门分量加起来就是任意轴的情况，最后经过X字飞行模式油门输出公式，计算出4个电机输出油门： 3 主程序设计 如图5所示，系统上电后，首先完成初始化，包括打开串口、初始化加速度陀螺仪传感器。接着等待选择模式，选择对应模式后，更新传感器数据，根据模式内置的参数调用PID控制器，计算四个电机所需的PWM波占空比，完成指定任务，不断循环[4]。 4 测试 本次测试分别测试单环PID和双环PID的波形，其余条件不变。PID控制更新周期T≈2ms，起始值为滚转角50°、俯仰角0°，设定值为滚转角10°、俯仰角0°。将风力摆采集的滚转角值通�^串口线发送到PC机上，记录数据并绘制图形分析波形。上位机显示单环PID与双环PID的滚转角波形如图6所示，波形图横坐标单位为20ms，纵坐标单位为度。由图6可知，双环PID控制的风力摆的滚转角波形经过很少的波震荡后近似归为设定值，系统能很快进入稳定状态；而单环PID则需要较长时间。其他欧拉角测试结果类似。 5 结论 本文主要研究了基于风力摆控制系统的双闭环PID控制算法。在角度PID闭环控制的基础上，增加了内环角速度环，不仅抗干扰能力强，而且反应迅速，增强了系统的鲁棒性。 参考文献： [1] 陆伟男. 基于四轴飞行器的双闭环PID控制[J].科学技术与工程，2014. [2] 张明廉. 飞行控制系统[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006. [2] 胡涛松. 自动控制原理[M]. 6版. 北京：科技出版社，2013. [4] 李广弟. 单片机基础[M].北京航空航天出版社，2001.
摘要：该文借鉴四轴飞行器的双闭环PID控制算法，解决2015年全国大学生电子设计竞赛B题“风力摆控制系统”。在PID控制器中，运用姿态解算出的欧拉角作为反馈量，角度作为外环，角速度作为内环。再根据X字飞行模式油门输出公式，将双闭环PID控制器的输出融合到电机上，输出油门实现姿态控制。实验结果表明，风力摆控制系统运用双闭环PID控制效果卓越，不仅抗干扰能力强，而且反应迅速。 关键词：双闭环PID；姿态解算；X字飞行模式；风力摆 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）30-0253-03 Double Closed Loops PID Control Based on Wind Swing Control System XU Guan-yu1，2， ZHOU Ye-fan1，2， HUANG Chong-peng1 （1.Wuxi Institute of Technology， Wuxi 214121， China；2. Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China） Abstract： This paper draws on the four axis aircraft double closed loops PID control algorithm to solve the exercise B in 2015 National College Student Electronic Design Contest ―― "wind swing control system". In the PID controller， the Euler angle is calculated by the attitude solution as the feedback， the angle as the outer loop， the angular velocity as the inner loop. Then according to the X word flight mode throttle output formula， the output of the double closed loops PID controller is fused to the motor， the output throttle to achieve attitude control. Experimental results show that the wind swing control system with double closed loops PID control effect of excellence have not only anti-interference ability but also rapid response. Key words： double closed loops PID； attitude calculation； X flight mode； wind pendulum 2015年全��大学生电子设计竞赛B题是“风力摆控制系统”，题目要求风力摆上的激光笔能画出指定图形。由于风力摆控制系统的传感器、执行器与四轴飞行器十分类似，故借鉴四轴飞行器[1]，将双闭环PID控制算法运用到风力摆控制系统上。 1 风力摆控制系统简述 1.1 机械机构 如图1所示，本系统由支架、万向节、细管、风力摆、单片机五部分构成。系统采用单臂梁结构，悬挂臂固定一个万向节。细管上方相连万向节，细管下方连接风力摆，细管自然状态下垂直向下。单片机放置于支架上。 1.2 风力摆结构及选型 风力摆由风机组、加速度陀螺仪传感器、激光笔、支架构成。如图2所示，支架上风机组由4个直流风机构成，呈十字型分布，并且螺旋桨产生的风向内吹，形成起摆动力。加速度陀螺仪传感器放置在支架平面上，能很好地检测运动状态，与直流风机呈X字型分布。激光笔安装在支架下方垂直向下。 2 PID控制 2.1 姿态解算 使用欧拉角来表征风力摆在空间中的姿态，可由加速度陀螺仪传感器解算所得。在本系统中，由于风力摆固定在万向节下的细杆上，故不会产生自旋的现象，即不会产生Z轴上的角度，无需考虑偏航角，仅考虑滚转角、俯仰角即可[2]。 2.2 双闭环PID控制 当风力摆正常运行时，突遇外力干扰（如题述台扇吹风），使加速度传感器采集数据失真，造成姿态解算出来的欧拉角错误。如果只用角度单闭环控制，很难使系统稳定运行，因此可以加入角速度作为内环，角速度由陀螺仪采集，采集值一般不受外界影响，抗干扰能力强，且角速度变化灵敏，当受外界干扰时，回复迅速。风力摆控制系统的双闭环PID控制，欧拉角作为反馈量，角度作为外环，角速度作为内环，外环输出作为内环输入，经积分限幅、输出限幅得到PID输出，并输出到油门，实现姿态控制。其中，油门值即输入电子调速器的PWM波占空比，用于修正风机组各个电机的转速，达到预期的滚转角、俯仰角。 由位置式数字PID计算公式[3]，可得姿态PID控制公式： [AngelPIDOut（t）=kpe（t）+kij=0te（j）T+kde（t）-e（t-1）T] （1） [AngelRatePIDOut（t）=kp'e'（t）+ki'j=0te'（j）T+k'de'（t）-e'（t-1）T] （2） 式（1）为角度环PID计算公式，式（2）为角速度环PID计算公式。[AngelPIDOut（t）]为角度环PID输出，[AngelRatePIDOut（t）]为角速度环PID输出。[e（t）]=期望角度-实际角度，[e'（t）]=[AngelPIDOut（t）]-实际角速度。姿态PID控制流程如图3。 2.3 油门输出计算 上述对滚转角、俯仰角的PID计算，实质是用误差计算力矩。接下来，根据直流风机与加速度陀螺仪传感器的摆放关系，推导出油门输出公式，即用力矩控制油门。 如图4所示，地理坐标系采用东北天坐标系，X向东，Y向北，Z指天。电机摆放为“X”型，在xOy平面上，第一二三四象限对应的电机为2、1、4、3号，4个电机的风均向内吹。 假设电机提供的力矩与油门成正比，如果需要x轴的力矩，则油门值应为：1、2电机正，3、4电机负，记作[1 1 -1 -1]。要增加X轴的力矩，油门需要变化的方向为[dx=]1 1 -1 -1。引入x轴的力矩修正系数：[MOx]，则当需要增加x轴[Δmox]力矩时，油门增量： y轴同理。要增加y轴的力矩，油门需要变化的方向为[dy=-1 1 1-1 ]。 力矩修正系数用于平衡各轴的响应灵敏度，x、y轴的力矩由螺旋桨旋转的合力提供，响应灵敏，用PID控制器的输出表示。把x、y轴的油门分量加起来就是任意轴的情况，最后经过X字飞行模式油门输出公式，计算出4个电机输出油门： 3 主程序设计 如图5所示，系统上电后，首先完成初始化，包括打开串口、初始化加速度陀螺仪传感器。接着等待选择模式，选择对应模式后，更新传感器数据，根据模式内置的参数调用PID控制器，计算四个电机所需的PWM波占空比，完成指定任务，不断循环[4]。 4 测试 本次测试分别测试单环PID和双环PID的波形，其余条件不变。PID控制更新周期T≈2ms，起始值为滚转角50°、俯仰角0°，设定值为滚转角10°、俯仰角0°。将风力摆采集的滚转角值通�^串口线发送到PC机上，记录数据并绘制图形分析波形。上位机显示单环PID与双环PID的滚转角波形如图6所示，波形图横坐标单位为20ms，纵坐标单位为度。由图6可知，双环PID控制的风力摆的滚转角波形经过很少的波震荡后近似归为设定值，系统能很快进入稳定状态；而单环PID则需要较长时间。其他欧拉角测试结果类似。 5 结论 本文主要研究了基于风力摆控制系统的双闭环PID控制算法。在角度PID闭环控制的基础上，增加了内环角速度环，不仅抗干扰能力强，而且反应迅速，增强了系统的鲁棒性。 参考文献： [1] 陆伟男. 基于四轴飞行器的双闭环PID控制[J].科学技术与工程，2014. [2] 张明廉. 飞行控制系统[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006. [2] 胡涛松. 自动控制原理[M]. 6版. 北京：科技出版社，2013. [4] 李广弟. 单片机基础[M].北京航空航天出版社，2001.