基于PLC与单片机的滑翔伞模拟器控制系统设计

刘立博，丁 茹

(沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳110159)

飞行训练是滑翔伞运动的重要环节，为更好地推广这项运动，提供更安全的训练环境，要在保证日常飞行训练任务的同时确保训练过程安全可靠，并尽可能地降低空中飞行的训练成本。目前国际上通用的飞行训练方法是采用飞行模拟器[1]。各类飞行模拟器的研制已成为航空四大试验研究设施之一[2]，因此，滑翔伞模拟器的研制具有重要的意义。

对于模拟器控制系统的设计，PLC具有可靠性高，操作容易的优点[3]，为此本文采用PLC为主控单元，通过与触摸屏和ATMEGA2560单片机组合控制完成控制系统的设计。

1 滑翔伞模拟器功能与工作流程

需要在滑翔伞模拟器上完成的功能主要是对地面起降和空中飞行过程的模拟。各个动作的产生是由五个直流减速电机互相配合完成的，如图1所示。

图1 滑翔伞模拟器三维模型图

工作流程：

(1)地面起飞模拟：滑翔伞的起飞形式是在山坡上跑步起飞，因此在模拟器的底部安装了以电机M4驱动的履带模拟助跑状态，同时电机M1、电机M2与电机M5同时驱动吊装座椅的三根钢丝绳缓慢提升以模拟起飞状态，训练开始。

(2)空中飞行模拟：对于空中飞行状态的模拟，主要是由三根钢丝绳以及由电机M3驱动的转盘之间产生的相对运动组成，通过操纵绳连接的两个拉绳位移传感器控制电机M1、M2、M3及M5的启停，正反转控制。

(3)降落模拟：降落过程与起飞过程是一组相反的过程，飞行员在降落时需要助跑一段距离后才能将速度逐渐降为0。对于降落状态的模拟，主要是由三根钢丝绳及电机M4驱动的履带间产生的相对运动组成，在座椅缓慢下降的同时履带也开始运行，最终速度逐渐降为0，训练结束。

2 控制系统电路设计

控制系统电气原理图如图2所示。

图2 控制系统电气原理图

触摸屏与PLC之间通过RS232串行通讯建立连接，PLC的输出端设置为继电器输出模式[4]，通过触摸屏给PLC传达指令。系统通过触摸屏选择训练模式并将动作指示通过指示灯传递给飞行员，飞行员按照指示进行训练。触摸屏组态界面如图3与图4所示。首先，按下开机按键，PLC随之通过Y7口发出控制信号给光耦隔离继电器，则系统各电机及其驱动电路上电，开始进入飞行模拟。按下开始训练后，绿色指示灯亮起，飞行员做好训练准备；按下起飞按键后，所对应的动作指示灯随之亮起，飞行员开始助跑，PLC的Y6口同时传递单片机一个控制信号，单片机随之给电机M4信号并利用PWM调速驱动履带做加速运动，此时电机M1、M2与M5带动三根钢丝绳向上做提升运动，进入空中飞行训练阶段。

图3 触摸屏组态界面A

图4 触摸屏组态界面B

在飞行训练阶段中，飞行员通过操纵绳来控制转向，操纵机构示意图如图5所示。

图5 操纵机构示意图

操纵机构由两个拉绳传感器及操纵绳组成，当飞行员接收到左右盘旋动作指示时，拉动一侧伞绳，伞绳触发拉绳传感器中的光电编码器发出控制信号给单片机，从而控制电机M1、M2、M3与M5进行联动，完成左盘旋与右盘旋的模拟。

在结束空中飞行模拟准备降落时，飞行员同时下拉两侧伞绳进行制动，单片机接收到信号后再发出控制信号给L298N双H桥电机驱动芯片，L298N再驱动电机M5、M2和M1带动钢丝绳向下做降落运动，同时利用PWM驱动电机M4带动履带做减速运动以模拟助跑降落，降落到所需位置时，松开伞绳，结束模拟。

训练结束后，按下触摸屏组态中的关机按键，PLC随之通过Y7口发出控制信号给光耦隔离继电器，系统各电机及其驱动电路断电，结束系统运行。

3 PID自整定算法的C语言实现

自动控制离不开PID控制规律，小到一个元件的温度，大到控制无人机的飞行姿态和飞行速度等，都可使用PID控制，但PID控制系统的参数整定不易。工程上最实用的参数整定方法为经验试凑法，该法往往需要工程人员具有丰富的工作经验[5]，但人工试凑在控制精度上不能很好的满足具有实时变化特性的系统控制要求。本控制系统采用了一种由Ziegler J.G和Nichols N.B提出的继电器自整定法[6]，其原理图如图6所示。

图6 继电器自整定法原理图

图中：R(t)为设定值；E(t)为偏差值；U(t)为控制量；C(t)为输出量。

继电器自整定PID参数的基本思路是在控制系统中设置两种模式：自整定模式和调节模式[7]，先采用普通PI/PID调节器使系统进入调节模式直至达到稳定状态(被调量基本稳定在设定值)，为接下来的自整定环节做准备。系统稳定后，使用Ziegler-Nichols(Z-N)整定法，当被调量低于设定值时，使系统输出一个脉冲幅度为D的正阶跃信号，使被调量向高处变化；当被调量高于设定值时，使系统输出一个脉冲幅度为D的负阶跃信号，使被调量向低处变化。强行使系统产生震荡，在震荡过程中记录下震荡峰值A、临界震荡周期Pu，并计算出临界增益Ku[8]。利用Z-N整定公式(表1)计算出整定参数，再将整定后的参数重新更新到调节器中运行，整定过程结束。

表1 Z-N参数整定公式

本系统中采用的普通PID调节器为位置型PID，其离散形式为

U(t)=Kp(E(t)+Ki∑E(j)+Kd(E(t)-E(t-1)))

(1)

式中：E(t)=R(t)-C(t)；E(t)为偏差值；U(t)为控制量；E(j)为偏差的全部过去值(j=1，2，3，…，t)；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

表中：Kp、Ki、Kd定义同上；PI为比例-积分控制器；PID为比例-积分-微分控制器；Ku为临界增益；Pu为振荡周期；D为脉冲幅度；A为震荡峰值。

继电器自整定法通用性强，具备自动整定并优化PID初始参数的功能，进一步节省了人工整定参数所需的时间并且配置简单，使系统的调试和运行过程更加简易、高效。本文采用ARDUINO IDE开发环境，通过C语言实现继电器自整定功能，其程序如图7所示。

图7 继电器自整定程序

4 试验

为验证控制系统的可靠性及所采用的 PID自整定算法应用于系统中的精确性；选用台达DVP-ES2作为主控单元；用台达DOP-107BV触摸屏作为上位机；ATMEGA-2560作为单片机芯片；用GY-25二路光耦隔离继电器模块；L298N作为电机驱动电路；用JGA25-370B带霍尔编码器直流减速电机；选用HAJ400B拉绳传感器以及相应的开关电源组成实验电路如图8所示。

图8 控制系统测试实验系统

经系统上电测试，触摸屏与PLC间的通讯正常，PLC各继电器输出口通断正常，触摸屏成功实现对动作指示灯的控制并控制系统通电断电，单片机I/O口接收到PLC的Y6口发出的控制信号且驱动电机动作，拉绳传感器成功实现对电机的正反转控制。基于实际对象结构，构建缩小比例实验样机[9]如图9所示，控制系统可控制多电机实现对模拟器座椅的提升、下降及左右盘旋的模拟。

图9 实验样机

针对PID自整定算法的验证，利用将电机自带的霍尔编码器与单片机外部中断口相连，在单片机中测出电机的实时转速，并通过串口将转速值及其对应的PWM值实时传送到计算机，利用串口监视器将电机运行状态实时显示出来。先使用未整定的PID参数运行电机，并将串口监视器的数据复制下来，存入txt文件，然后导入到Matlab中生成以时间单位(秒)为横坐标，以转速值(PWM值)为纵坐标的图如图10所示。再使用PID自整定后的参数运行电机，重复上一步骤，最终生成图如图11所示。

图10 Matlab图1

图11 Matlab图2

通过对比图10与图11可知，在初始参数Kp=2，Ki=15，Kd=1时运行电机，其转速在经过了11s后稳定在设定值；在使用整定后参数Kp=11.46，Ki=98.22，Kd=0.33时运行电机，其转速在经过了1s后即稳定在设定值。

5 结论

通过实验可以得出以下结论：对比使用经PID自整定后的参数与未经PID自整定的参数的电机运行状态可以看出，在设定转速同样为50rpm的情况下，后者经1s即达到设定转速，而前者则经过了11s才达到设定转速。所提出的设计方法经实验验证，整个控制系统各项功能运行稳定，响应时间短，控制精度高，系统运行具有较高的精准度及可靠性，为进一步完善滑翔伞模拟器的功能提供了很好的控制模型。