3.2.1 球的位置检测

我们采用高精度的激光测距模块不断采集球的位置信息并用串口屏实时地显示出来。本系统采用一个直流电机作为动力系统。通过当前位置信息和目标位置的差得到的差值用于闭环控制系统滚动的线路确保小球按照要求达到指定点位。

3.2.2 控制算法分析

采用PID算法来控制风机的电压及速度。开始工作后，激光测距模块实时检测小球坐标，并与之前的位置比较使得小球的状态趋向理想位置。在PID中pid分别表示小球的位置比例（P）、位置误差（I）、位置积分（D）。

P：对小球的当前位置偏差e（t)进行调整，系数越大调节速度越快，减小误差，但是过大的比例，会造成电机速度状态的突变，从而导致木板状态不稳定。

I:加入积分调节，可以消除系统的稳态误差，提高无误差度。系统的稳定性下降，动态响应变慢。

D:微分调节反应的是小球的角速度，可以预见偏差变化的趋势具有可预见性因而可以产生超前调节，加入微分调节可以改善系统的动态性能。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其PID控制器的传递函数为：

其中为PID控制器的比例，积分和微分参数。 

 第四部分 硬件设计与软件设计

4.1系统设计

图4-1

4.2 电路设计

4.2.1系统总体框图

简易风洞控制系统由硬件和软件部分组成。硬件部分为主控MCU、测距模块、小型直流风扇、长度大于50cm的透明PC管、直流电源、被控乒乓球组成，数据实时显示模块。软件部分包括模块驱动代码，USART HMI开发软件，Keil5开发软件。主控MCU采用STM32RCT6开发板，测距模块采用激光测距模块，采用正点原子串口激光测距，PWM输出采用TB6612模块，数据显示采用串口屏，电源降压采用LM4015降压模块，如图4-2所示：

图4-2系统总体框图

4.2.2整体电路设计

由STM32单片机控制模块、激光测距模块、串口屏显示屛模块以及直流电机模块组成的闭环控制系统，如图4-3所示：

图4-3电路设计

4.3  硬件设计

4.3.1 STM32F103开发板

STM32 开发板具有高性能、低成本、低功耗等诸多优点，广泛应用于嵌入式开发。STM32F103 在维持 STM32 家族开发板原有优点的同时，提供了充足的 GPIO 接口、高级定时器等功能，故本系统以此为核心搭建整体框架。

       串口屏直接与 STM32F103 相连，显示必要的输出信息以及交互界面，降低本系统使用门槛。使用串口屏设计软件，包括输入，输出，显示等功能，简化系统硬件结构。

4.3.2 直流电机

我们使用的直流电机是3.3v到7v。之前试过的不管是3.3v直流电机还是空心杯电机效果都没供5v时精确稳定。转速在23000左右，能够实现小球的在管子中的自由移动。而且直流电机控制简单，具有高度的灵活性，运行平稳，整个系统的机械应力低，控制过程高动态。启动和调速性能好，调速范围广，过载能力强，受电磁干扰影响小。

4.3.3 tb6612控制模块

tb6612是东芝半导体的一款驱动电机的IC。一个TB6612可以驱动两个电机，每一个驱动都有两个逻辑输入引脚，一个输出引脚和一个PWM引脚。可以通过给两个逻辑输入引脚不同的电平来控制电机的运行状态，通过PWM输入引脚实现电机调速。电机调速的原理比较简单，只需要给TB6612FNG的PWM输入引脚输入10KHz的PWM波。调节占空比即可调节转速。

图4-4tb6612电路

4.3.5激光测距模块

我们采用的是atk ms53l0m激光测距模块。ATK MS53L0M激光测距模块不仅具备高精度和稳定性，而且在设计上考虑了多种应用场景的需求。其广泛的工作温度范围和优良的环境适应性，使其可以在各种恶劣的工作环境下可靠运行。此外，该模块还支持多种通信接口，如UART和I2C，方便用户与微控制器或其他设备进行连接和通信。

图4-5 atk ms53l0m激光测距模块

4.3.6串口屏

串口屏是带有串口通信的TFT彩色液晶屏显示控制模组，可以连接PLC、变频器、温控仪表、数据采集模块等外部设备，利用显示屏显示相关数据，通过触摸屏、按键、鼠标等输入单元写入参数或输入操作指令，进而实现用户与机器进行信息交互。本项目使用能够清晰展示数据变化，增强人机交互。

4.4 软件设计

   本系统以STM32F103单片机为控制器，采用C语言对单片机进行编程。主程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统协调稳定的运作，系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现。

4.5 用户交互界面

我们通过串口屏来实现用户与STM32单片机的交互。如图4-6所示，通过数字键盘来设定高度，然后点击发送后将设定好的高度发送到单片机，然后单片机接收到该数据后再发送回串口屏再显示到串口屏界面，让我们确定发送并接收到数据的准确性。单片机接收到设定好的数据后开始使用PID算法控制小球，并将小球的实时高度显示到串口屏中，当设定的高度与实时高度误差在1cm以内的时候，串口屏内部的定时器会开始计时，并实时显示到串口屏的time中。

图4-6 串口屏显示

第五部分 PID调参部分经验

我们使用的是位置式PID。由于误差最大是500（mm），然后PWM初值给到5455的时候小球正好被吹起来，PWM上限是7200（看定时器的自动重装载值），就可以算出Kp的大致值为(7200-5455)/500=3.49。然后细调到在目标值上下小幅度摆动，上下误差大概在60左右。然后给Kd赋值。刚开始我们给的d值比较小，就导致一直没啥变化。后来偶然给了个比较大的值，发现效果出奇的好，直到给到35时，发现基本可以维持在目标点。但有时会有误差，于是我们继续给Ki赋值。刚开始我们的积分限幅比较大，限幅值为1000，还没有积分清零的代码，就导致刚开始误差很大时积分累加的特别大，现象就是小球会先超出目标点，然后 i 值慢慢减小，小球慢慢回到目标点。最后我们发现问题后将限幅缩小到600，完美解决问题。

PID.c

#include "pid.h"	  
#include "pwm.h"	  
#include "usart.h"
#include "motor.h"
#include "ms53l0m.h"

pid_o pid1;

int t=0;
int last_integral = 0;

void PID_Init(int set)
{
	pid1.set_position=set;
	pid1.Kp=Kp_Value;
	
	pid1.Ki=Ki_Value;
	pid1.Kd=Kd_Value;
	
	pid1.error=0;
	pid1.error_1 = 0;
	pid1.error_2 = 0;
	
	pid1.integral_limit=600;//积分限幅400
	pid1.output_Hlimit=1000; //PID上限1000
	pid1.output_Llimit=-1000;//PID下限1000
	
	pid1.output=0;
}



void PID_Count(void)
{
	float output_kp,output_ki,output_kd;
	int dk1;

	pid1.actual_position=high;							//实际高度
	pid1.error=pid1.set_position-pid1.actual_position;	//当前误差
	
	pid1.integral=last_integral+pid1.error;				//I值累加
//	pid1.integral = pid1.error + pid1.error_1 + pid1.error_2;
	dk1=pid1.error-pid1.error_1;						//d值计算
	
	//积分限幅
	if(pid1.integral > pid1.integral_limit)
		pid1.integral = pid1.integral_limit;
	if(pid1.integral < -pid1.integral_limit)
		pid1.integral = -pid1.integral_limit;
	
//	//积分清零
//	if(pid1.error<10&&pid1.error>-10){
//		t++;
//		if(t>20){
//			pid1.integral = 0;							//到达位置，积分清0
//			t=0;
//		}
//	}else{
//		t = 0;
//	}
	
	//计算最终PID
	output_kp=pid1.Kp*pid1.error;
	output_ki=pid1.Ki*pid1.integral;
	output_kd=pid1.Kd*dk1;
	
//	if(output_ki > pid1.integral_limit)
//		output_ki = pid1.integral_limit;
//	if(output_ki < -pid1.integral_limit)
//		output_ki = -pid1.integral_limit;
//	
	pid1.output=output_kp+output_ki+output_kd;
	
	//PID限幅
	if(pid1.output>pid1.output_Hlimit)
	{
		printf("已经上限幅\r\n");
		pid1.output=pid1.output_Hlimit;
	}else if(pid1.output<pid1.output_Llimit)
	{
		printf("已经下限幅\r\n");
		pid1.output=pid1.output_Llimit;
	}
	
//===============打印数据，调节代码====================
	printf("高度：%d\r\n",pid1.actual_position);
	printf("误差：%d   ",pid1.error);
	printf("积分值：%d   ",pid1.integral);
	printf("P = %f  ",output_kp);
	printf("I = %f  ",output_ki);
	printf("D = %f  ",output_kd);
	printf("PID = %f\r\n",pid1.output);
	printf("\r\n");
//===============打印数据，调节代码====================
	
	pid1.output = pid1.output+zero_x;
	
	//记录上次误差
	last_integral = pid1.integral;
	pid1.error_1=pid1.error;
//	pid1.error_2=pid1.error_1;
	pid1.Kd=Kd_Value;								//防止给予新目标值时kd突变
	
	
	//输出PWM
	Set_Pwm(pid1.output);

}

PID.h

#ifndef __PID_H
#define	__PID_H

#include "stm32f10x.h"

#define	Kp_Value 3.9//3.9
#define Ki_Value 0.3//+0.3
#define Kd_Value 35//30

#define zero_x 5455

typedef struct
{
	int set_position;
	int actual_position;
	
	float Kp;
	
	float  Ki;
	float  Kd;
	
	int error;
	int error_1;
	int error_2;
	int integral;
	int integral_limit;
	int output_Hlimit;
	int output_Llimit;
	float output;
}pid_o;

extern pid_o pid1;

void PID_Init(int set);

void PID_Count(void);


#endif /* __PID_H */