一种简易风洞模拟控制系统设计

王　晨，吴　凡，王晓娜

(大连理工大学，辽宁 大连　116024)



一种简易风洞模拟控制系统设计

王晨，吴凡，王晓娜

(大连理工大学，辽宁 大连116024)

摘 要：介绍了简易风洞模拟系统的设计及制作。本设计以XS128单片机为主控芯片,利用涡轮式轴流风机来为小球的运动提供动能。通过在风洞表面安装的CCD传感器来检测小球位置，而后通过PID算法对轴流风机的抽风量进行进一步调校。从而形成一个完整的闭环控制系统，实现对风动系统的模拟。

关键词：PID算法；PWM调速；闭环控制；CCD；XS128

流体力学方面的风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法，这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。

风洞试验，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟

空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。基于实验室模拟，以及设备简约化的的思想，本文研制了此模拟装置。

本文将介绍风洞模拟系统的基本设计思路，设计原理，组成成分以及相关参数，该系统可用于日常教学、PID算法学习以及单片机控制学习等。

1系统方案

本简易风洞模拟系统主要由控制模块，供电模块，显示模块，风机驱动模块和位置检测模块组成。小球的位置检测既可以采用超声测距又可以采用CCD传感器，CCD采集结构简单稳定性高。

风洞模拟系统由圆管、连接部与直流风机构成，如图1所示。圆管竖直放置，长度约40 cm，内径大于4 cm且内壁平滑，小球(直径4 cm黄色乒乓球)可在其中上下运动；管体外壁应有A、B、C、D等长标志线，BC段有1 cm间隔的短标志线；可从圆管外部观察管内小球的位置；连接部实现风机与圆管的气密性连接，圆管底部应有防止小球落入连接部的格栅。控制系统通过调节风机的转速，实现小球在风洞中的位置控制。

1.1测距模块选型：

本系统采用CCD进行信息采集，实现测距功能。采用安装在风洞右侧的CCD测距模块来直接获取小球的相对位置。很明显，此方案最大的优点就是结构简单，使得整个系统更加稳定。同时可以通过上位机程序实时观察小球的位置，便于对小球的运动状态进行控制。由于CCD受外界光线干扰较大，故需对整个装置的光线做严格的处理。

1.2风机控制算法选择：

系统采用PID控制算法。PID控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

其输入e (t)与输出u (t)的关系为：

u(t) = kp [ e(t) + 1/TI∫e(t)dt + TD * de(t)/dt ]

因此它的传递函数为：G(s) = U(s) / E(s) = kp[ 1 + 1 / (TI*s) + TD * s ]

其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。

经系统分析与比较论证，风机的控制算法我们采用采用数学模型已知，参数调校方便，实时性高的方案二——PID控制算法。

2系统理论分析与计算

2.1主要部件的分析

2.1.1CCD介绍

电荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)是一种新型光电转换器件。CCD是以时间积分方式工作的,光积分时间可以在很宽的范围内调节,因此使用方便灵活,适应性强,CCD输出信号易于数字化处理,容易与信号处理器件连接组成实时自动测量控制系统,便于扩大应用功能和使用范围。CCD的像元尺寸小,几何精度高,配置适当的光学系统,可以获得很高的空间分辨率。

线阵CCD通常应用于各种精密图像传感和无接触工件尺寸的在线检测,但是有些时候可以通过适当的方法将其信号转换为图像信号,拓宽了它的应用领域。比如,激光雕刻机利用线阵CCD信号作为它的输入信号,经过软件的处理将线阵CCD信号转化为图像信号,使得雕刻机雕出图案中的各个部分。由于线阵CCD所采集的信号只是某一条直线上的信息,所以必须借助于机械的手段实现CCD对图像的扫描。

考虑到精度要求高、数据处理量大,采用了速度较高的A/D转换器和高速信号处理器(digital signal processor,DSP)。由A/D输出的信号不可避免地包含各种噪声,进入DSP后要进行数字滤波。滤波后的数字信号经过边缘识别可以得到线阵信号,再将多列线阵信号经过软件编码组合,即可恢复图像信号。

2.1.2XS128介绍

HCS12X系列单片机是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增强型产品，基于S12 CPU内核，可以达到25 MHz的HCS12的2-5倍性能。总线频率最高可达40 MHz。MC9S12XS128就是S12X系列中的一个成员。如图2所示。

MC9S12XS系列具有丰富的输入/输出端口资源，同时集成了多种功能模块，端口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ和PORTAD共11个端口。端口引脚大多为复用口，往往具有多重功能，所有端口都具有通用I/O口功能。主控板原理图如图3所示，主控板线路板如图4所示。

2.2PWM的产生

PWM信号的产生通常有两种方法：一种是通过软件编程来实现；另一种是通过硬件电路来实现。由于后一种方法较复杂，对其也难以查证相应资料，操作起来也麻烦。所以我们可以采用以软件的方法来产生PWM信号，即使用单片机。

如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为：

式中，N为一个机器周期的时钟数；Tw为定时器定时初值。

3系统框图

系统结构框架图如图5所示，程序流程图如图6所示。

4系统功能测试方法、测量仪器型号、结果、整机指标

4.1软硬件连调

首先将焊接好的各个电路模块(电机驱动模块，光电传感器模块，电压比较模块，显示模块等)进行分开调试。再将整个硬件系统搭建起来，软件烧写进去，进行联调。

4.2测试条件与测试仪

测试条件：硬件焊接完好，各个模块功能测试正常，软件编译正常即可。

4.3测试仪器

测试仪器见表1。

5结论

本文介绍了一种风洞模拟系统，操作简单、小巧实用而且成本较低，为在实验室条件下模拟风洞试验而设计。该系统采用PID算法进行闭环控制，整个装置工作稳定，抗干扰能力强，灵敏度及精确度高，非常适合实验室条件下进行小型风洞试验，作为实验室基础器材具有广阔的应用前景。

为了使该系统拥有更广阔的受众，本系统设计时严格控制了成本。经计算该装置单套成本控制在二百元以内，远低于目前市场上的风洞器材，具有广阔的市场前景。

参考文献：

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[7]郭俊杰，朱洪应，蔡後超，等.基于STM32单片机的视频遥控小车[J].大学物理实验，2015，28(4)：47-50.

The Design of a New Type of Haze-Fog Detection System

WANG Chen,WU Fan,WANG Xiao-na

(Dalian University of Technology,Liaoning Dalian 116024)

Key words：the PID algorithm；PWM control；closed loop control；CCD；XS128

Abstract：It introduces the simple wind tunnel simulation system design and production.This design XS128 single-chip microcomputer as main control chip,using turbine type axial flow fan to provide kinetic energy for the movement of the ball.Through the wind tunnel of the CCD sensor to detect small ball surface installation position,and then through the PID algorithm for extraction of axial flow fan air volume for further adjustment.To form a complete closed loop control system,realize the simulation of pneumatic system.

收稿日期：2016-01-26

文章编号：1007-2934(2016)03-0039-05

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.012