基于labVIEW的双轮自平衡小车概要.docx
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基于labVIEW的双轮自平衡小车概要
双轮自平衡小车
摘要:
本系统主要包括控制系统模块、电机驱动模块和角速度测量模块三个模块,根据角加速度传感器测量出的数据,利用myRIO调节占空比,调节电机的转速,使小车能始终保持平衡。
关键词:
PID控制,PWM,自平衡;
目录
1方案分析1
1.1模块方案比较与选择1
1.2总体方案论述1
2电路与硬件设计.........................................................................................................2
2.1.驱动的选择.........................................................................................................................2
2.2电路设计2
3系统软件设计............................................................................................................4
3.1控制算法的选取4
3.2程序流程图...........................................................7
3.3程序清单............................................................10
4系统测试及结果分析13
总结15
参考文献15
附录实物图表16
一、方案分析
1.1.模块方案比较与选择
1.1.1控制系统模块的论证与选择
方案一:
采用传统的89C51芯片为控制核心。
具有4KB的程序存储器,128KB的数据存储器,64KB的片外存储器寻址能力,64KB的片外数据存储器寻址能力,32根输入/输出线,1个全双工异步串行口,2个16位定时/计数器,5个中断源,2个优先级。
但数学处理能力差,功能单一,运算速度慢,控制过程比较烦琐。
方案二:
采用采用NImyRIO。
NI myRIO内嵌Xilinx Zynq芯片,使学生可以利用双核ARM Cortex-A9的实时性能以及强大的计算功能,编程开发简单,支持用LabVIEW进行编程,图形编程,明了易懂,同时包含大量现成算法函数,方便快速调用。
同时,myRIO自带三轴加速度传感器,可通过LabVIEW观察波形,进行自平衡小车测量时非常方便。
综合考虑采用方案二控制。
1.1.2电机驱动模块的论证与选择
方案一:
采用步进电机为驱动源,但步进电机并不能像普通的直流电机,交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
且速度不是很快,不好操作。
方案二:
使用MOSFET构成H桥式驱动电路,利用PWM波形来控制电机的转速,此电路驱动功率比较大耗能高,电机的转速较快。
方案三:
使用直流电机驱动芯片L298N来驱动直流电机,通过占空比来调节转速,控制较为方便。
综合考虑采用方案三。
1.1.3角速度测量模块的论证与选择
方案一:
使用三轴加速度传感器MMA7260Q可以测量小车加速度大小,选取最佳重心位置,将测量出的数据传入控制系统。
方案二:
使用myRIO自带三轴加速度传感器,由于是本身自带,便于使用与测量。
1.2.总体方案论述
本系统主要包括控制系统模块、电机驱动模块和角速度测量模块三个模块,根据角加速度传感器测量出的数据,利用myRIO调节占空比,调节电机的转速,使小车能始终保持平衡。
.
1、电路与硬件设计
2.1.驱动的选择
本电路选择TB6612FNG新型驱动器件,与传统电动机驱动相比,具有较高的集成度,且能独立双向控制2个直流电机,同时能提供足够的输出能力,运行性能和能耗方面也具有优势,因此在集成化、小型化的电机控制系统中,它可以作为理想的电机驱动器件。
它具有大电流MOSFET-H桥结构,双通道电路输出,可同时驱动2个电机,TB6612FNG每通道输出最高1.2A的连续驱动电流,启动峰值电流达2A/3.2A(连续脉冲/单脉冲);4种电机控制模式:
正转/反转/制动/停止;PWM支持频率高达100kHz;待机状态;片内低压检测电路与热停机保护电路;工作温度:
-20~85℃;SSOP24小型贴片封装。
AINl/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB为控制信号输入端;AO1/A02、B01/B02为2路电机控制输出端;STBY为正常工作/待机状态控制引脚;VM(4.5~15V)和VCC(2.7~5.5V)分别为电机驱动电压输入和逻辑电平输入端。
2.2.电路设计
TB6612FNG与AVR单片机组成的电机控制单元。
单片机定时器产生4路PWM输出作为AIN1/AIN2和BIN1/BIN2控制信号,对电机M1和M2的控制。
使用功率MOSFET对VM和VCC提供电源反接保护。
我们可以直接将PWM的AB端口都接在MyRio的PWM输出端口相连,使小车的两个电机转速均由同一个量进行控制,小车的转动能同步。
两且个电机的转动方向控制也由MyRio输出进行控制,同步进行方向的转换,使小车在偏移后达到平衡。
MyRio电源输入电路:
通过外接开关开关和插口,设计电路,将MyRio由电源供电改为电池供电,并可以实时的将控制器件进行开关。
P指数的输入和电机开关控制电路:
外接轴转式电位器,通过电阻分压后接入MyRio模拟端口,来控制P指数的变化,并且外接开关通过输入的0、1,改变程序来控制电机的转和停,达到实时控制,利于调制程序。
三、系统软件设计
3.1控制算法的选取
本系统的控制算法选用PID算法
3.1.1PID概述
PID调节器是指按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器,其调节实质是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系进行运算,其运算结果用于输出控制。
在实际应用中,在多数情况下,根据具体情况,可以灵活地改变PID的结构,取其一部分进行控制(杨德刚等,2010)。
PID控制器的输入输出关系为:
(15)
PID控制有模拟和数字控制方式:
模拟方式采用电子电路调节器,在调节器中,将被测信号与给定值比较,然后把比较出的差值经PID电路运算后送到执行机构,改变给进量,达到调节之目的。
数字方式用计算机进行PID运算,将计算结果转换成模拟量,输出去控制执行机构。
本设计选用数字PID控制方式。
比例控制对系统动态性能的影响:
增大时,将使系统响应速度加快,
偏大时,系统振荡次数增多,调节时间加长;
偏小时,系统响应速度缓慢。
选择以输出响应产生4:
1衰减过程为宜。
在系统稳定的前提下,加大Kp可以减少稳态误差,但不能消除稳态误差。
积分时间
对系统性能的影响:
积分控制通常影响系统的稳定性。
太小使,系统不稳定,且震荡次数较多;
太大时,对系统的影响将削弱;
合适时,系统的过度过程特性比较理性。
积分控制有助于消除系统稳态误差。
微分时间
对系统性能的影响:
微分作用的增强可以改善系统动态特性,如减少超调量,缩短调节时间等,适当加大比例控制,可以减少稳态误差,提高控制精度;另一方面微分作用会放大系统噪声,降低系统抗干扰能力。
微分环节的加入可以在误差出现或变化瞬间,按偏差的变化的趋势进行控制。
引进一个早期的修正作用,有助于提高系统稳定性。
3.1.2数字PID算法
数字PID算法为用计算机实现,用数值逼近和连续信号离散化实现的PID控制规律。
有两种实现方式:
位置性数字PID、增量型数字PID。
3.1.2.1 位置式PID控制算式
在采样时刻t=kθ(θ为采样周期)时,式(4—1)表示的PID控制规律可以通过以下数值公式近似计算:
比例作用:
(4-2)
积分作用:
(4-3)
微分作用:
(4-4)
式(4—2)、式(4—3)、式(4—4)表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k),所以称为位置式PID控制算法,实际的位置PID控制器输出为比例作用、积分作用与微分作用之和,即
(4-5)
如果采样周期θ取得足够小,这种逼近可相当准确,被控过程与连续控制过程十分接近。
这种算法的缺点是,由于全量输出,所以每次输出均与过去的状态有关,计算时要对e(k)进行累加,计算机运算工作量大。
而且,因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置,如计算机出现故障,u(k)的大幅度变化,会引起执行机构位置的大幅度变化,这种情况往往是生产实践中不允许的。
因而产生了增量式PID控制算式。
位置式PID控制算式的系统控制示意图如图(4-2)所示。
3.1.2.2增量式PID控制算式
增量式PID控制算式是指数字控制器的输出只是控制器的增量Δu(k)。
当执行机构需要的是控制量的增量时,可由式(4-5)导出提供增量的PID控制算式。
根据递推原理可得:
(4-6)
用式(4-5)减去式(4-6)可得:
(4-7)
式(4-7)称为增量式PID控制算式。
可以看出,由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期θ,一旦确定了KP、KI、KD,只要使用前后3次测量值的偏差,即可由式(4-7)求出控制增量。
图(4-3)给出了增量式PID控制系统的示意图。
就整个系统而言,位置式与增量式控制算法并无本质区别,增量式控制虽然只是算法上作了一点改进,却带来了不少优点:
(1)
(1) 由于计算机输出增量,所以误动作时影响小,必要时可以用逻辑判断的方法去掉。
(2)
(2) 手动/自动切换时冲击小,便于无扰动切换。
此外,当计算机发生故障时,由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用,故能仍然保持原值。
(3)(3) 算式中不需要累加。
控制增量Δu(k)的确定仅与最近k次的采样值有关,所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。
但是增量式控制也有不足之处,积分截断效应大,有静态误差,溢出的影响大。
因此,在选择时不可一概而论。
由于对增量式PID使用上的不熟悉,以及本品采用myRIO自带的三轴加速度传感器,可以将一个位置上的重力加速度值通过数学计算换算成地面与myRIO的位置角度关系,所以本设计选用位置式PID算法。
3.1.3PID控制器
本系统采用labVIEW自带的PID控制模块,此模块共包括六个输入参数和两个输出参数。
六个输入参数分别是outputrange(输出范围)、setpoint(目标值)、processvariable(输入量)、PIDgains(P、I、D参数输入量)、dt(测量周期)、reinitialize(频率值),两个输出参数分别是output(输出值),dtout(输出显示周期)。
labVIEW中的PID子vi
3.2程序流程图
3.2.1主程序流程图
系统主程序流程框图
3.2.1加速度检测部分流程图
加速度检测部分流程框图
3.2.2PID中P参数调节器部分流程图
PID中P参数调节器部分程序框图
3.3程序清单
3.3.1顶层程序展示
相关模块简介:
:
三轴加速度传感器(共有X/Y/Z三轴,本系统只采用Z轴)
:
数字输出口(如图使用的是A区的0和1数字IO口,分别为为pin11和pin13)
:
PWM输出口(本系统使用的是A区PWM0输出口)
:
选择结构(通过输入值的T/F选择上/下值的输出)
:
延迟(本例为延迟20ms)
:
PID模块(前文已介绍)
:
波形图表(将输出值以波形形式输出)
3.3.2底层程序展示
3.3.2.1加速度检测部分程序
相关模块简介:
:
myRIOIOopen
:
myRIOIOread
:
myRIOIOclose
:
数组索引
3.3.2.1PIDP参数调节器部分程序
相关模块简介:
:
数值显示
3.3.2.1PIDP参数调节器部分程序
相关模块简介:
:
PID自带滤波
:
局部变量(此例为Z的局部变量)
:
数值输入
:
条件结构
四、系统测试及结果分析
本系统基本功能为能让小车稳定不倒在原地3秒以上,经过两天通宵调节,本系统能够成功实现基本功能,但是根据地面条件的不同,相应的参数将会不同,例如,在砂纸上,由于摩擦力较大,所以P参数应相应减小(经实测P=3.2为最佳),否则将会由于比例过大而使小车回量过大而翻倒;在略光滑的地板(如创新实验室地板)上,相应的P应加大(经实测P=4.5为最佳),否则小车将没有足够的加速度而向前趴到。
另外,本系统的拓展功能为能够给小车一个角度,是小车向前行走一段距离并稳定在地面上,但是由于对PID的不熟悉,属于初次尝试,所以拓展功能只在调解过程中的砂纸上成功过一次,而且对于I和D的使用完全没有经验,导致在PID调节中屡屡失败,未能在拓展功能上实现预期目标。
结论
本设计的研究对象为双轮自平衡小车,它的运动方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特点,是一种理想的控制理论和控制技术研究的实验平台。
通过这次自平衡小车的设计,我们学到了许多知识,特别是一些算法的运用。
自己手动调节PID,更加深入了解了PID算法的控制作用,但是限于时间与精力,自平衡小车的平衡还欠佳,不能平衡太久,以后有空余时间我们一定会慢慢改进。
参考文献
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(2):
90-91.
2、谢芳,杨红果.数字PID改进算法的分析与实现[J].焦作师范高等专科学校学报,2010,21(02):
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3、杨德刚,姜磊,贾文杰.数字PID与其算法改进的研析[J].中国科技信息,2010,10(14):
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4、王效杰.基于变结构控制的两轮自平衡小车系统设计与实现[D].西安电子科技大学,2006,10(13):
23-26.
5、华润,白志刚.由入门到精通-吃透PID
附录
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- 基于 labVIEW 双轮 平衡 小车 概要