基于PID控制器的滚球控制系统设计与制作

2018-01-15李世甲李海龙蔺瑞英

装备制造技术 2017年11期

李世甲，万超，李海龙，蔺瑞英

0 引言

2017年全国大学生电子设计竞赛本科组B题要求设计制作一滚球控制系统，在边长为65 cm光滑正方形平板上均匀分布9个外径3 cm的圆形区域，其编号为1-9号（从左至右依次排列），如图1所示。系统通过控制平板的倾斜，使直径不大于2.5 cm的小球能够按照指定的要求在平板上完成动作，并从动作开始计时且显示时间。要实现的基本要求如下：（1）在15 s内，控制小球从区域1进入区域5，在区域5停留不少于2 s.（2）控制小球从区域1进入区域4，在区域4停留不少于2 s，然后再进入区域5，小球在区域5停留不少于2 s.完成以上两个动作总时间不超过20 s.（3）在30 s内，控制小球从区域1进入区域9，且在区域9停留不少于2 s.

图1 平板位置分布示意图

本文研究的滚球控制系统在实现竞赛题目要求的同时，可用于《机械电子工程专业导论》《机械控制工程基础》《单片机原理及应用》等课程的实验教学，或作为学生课外科技作品制作范例，提升学生专业知识学习兴趣。

1 滚球控制系统设计

1.1 系统结构设计

根据要求，测控系统要使小球按照一定规律运动。本文通过切换6个启动、复位按键实现3个题目要求的动作并在LCD液晶屏显示动作时间。完成相应的控制任务，关键在于反馈信息的准确性和对步进电机的控制，为此将系统分为五个模块，系统整体方案框如图2所示。

图2 系统整体框图

1.2 控制器模块

控制器是整个控制系统的核心，承载着执行控制算法，实现控制功能的作用。对于89C52单片机，原理简单，成本低，综合考虑后选择其作为本控制系统控制器模块[1]。

1.3 位置检测模块

由于购买的Chihod红外线光电传感器，最大测量范围为30 cm，经测试及计算，其布置方式如图3所示。S2和区域1的中心距距离为4 cm.

图3 传感器布置图

1.4 动力装置

动力装置作为本控制系统中的执行机构，其提供的动力是否充足、可调性是否优良直接决定能否完成控制任务和控制质量的高低。在考虑了成本、体积、时效性等因素的基础上选择了28BYJ-48型步进电机，利用步进电机的正反转控制木板翻转。

1.5 外围辅助模块

本系统中的外围辅助模块，主要是指与对滚球的控制不起直接作用的功能调用模块（按键）、显示模块（LCD1602液晶）、声光提示模块、数字式可调电源。

1.6 机械结构设计

系统的机械结构设计如图4所示。平板1中间放置于万向节3之上，万向节3通过立柱4与底盘7相连接，平板1可在万向节3之上360°摆动；电机5、6安装在立柱上，同步带2两端系在平板1的孔内，并通过带轮及联轴器与电机5、6末端相连，通过电机的正反转，可调节平板1的左右倾斜，通过电机5、6的联动，可实现平板1的45°倾斜。光电模块8安装在平板1上，检测小球通过的时间，并向控制系统反馈，从而改变电机转速，用以控制小球速度。通过调节电机的转速[2]，实现平板的翻转，通过平板的翻转速度及角度，使小球按预设轨道运动，实现不同运动轨迹。制作的滚球控制系统实物如图5所示。

图4 系统机械结构示意图

图5 滚球控制系统实物图

2 控制策略

2.1 PID控制

PID控制是将偏差的比例、积分和微分三者通过组合构成控制量。比例调节规律依据“偏差的大小”来动作，它的输出变化量与输人偏差成比例，调节平稳，作用及时，能有效地克服各种干扰，是最基本的调节规律，它的缺点是不能消除余差，因此只能用于那些对被调参数精度要求不高的场合。常用比例度Kp表示比例调节作用的强弱。Kp越小，表示比例增益越大，比例调节作用越强。同时，Kp越小，被调参数余差也越小，但调节系统稳定性下降。常规的PID控制系统原理框图如图6所示[3]。

图6 PID控制系统原理图

2.2 控制系统实现

根据以上要求和PID原理，设计的滚球控制系统各部分的关系如图7所示。单片机资源分配如图8所示，LCD接线如图9所示。LCD1602引脚连接方式如下：数据位D0～D7分别接单片机p0～p7，数据处理位 RS、RW、E 分别接单片机 p2.5～2.7，引脚 1（GND）和 16（K）接地，引脚 2（VCC）和 15（A）接电源正极。