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风力摆控制系统论文

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1 风力摆控制系统 摘 要：本系统采用STM32F103ZET6单片机作为控制核心，通过对置于风力摆上的MPU9150陀螺仪采集的角度进行处理得到角度与风力摆位置的关系，再通过驱动输出PWM波控制轴流风机，使风力摆到达指定的位置，做规定的圆周运动。本系统通过PID调试，测试表明，各项功能已达到或超过本题目要求。

关键词：MPU9150；PID；轴流风机 2 1. 系统方案 本系统主要由主控制器，陀螺仪，电机驱动模块，轴流风机，激光笔组成，下面分别对这几个模块进行选择与论证。

1.1陀螺仪的选择 方案一：MPU6050。 9轴运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字数字运动处理器DMP，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。但零飘较严重。 方案二：角度传感器。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0。角度传感器一般测静态的角度，倾角用加速度计。明显在本系统中角度传感器不如陀螺仪方便使用。 方案三：MPU9150。MPU-9150 是采用系统级封装 (SiP)，集合了两个芯片：MPU-6050 和 3 轴数字罗盘 AK8975，其中 MPU-6050 包含 3 轴陀螺仪、3 轴加速计以及能够处理复杂 9 轴 MotionFusion 算法的板载 Digital Motion Processor™ (DMP™) 。 这款元件集成 9 轴 MotionFusion 算法，能够访问所有内部传感器，以收集全套传感器数据。MPU9150测转角的速度的，可以积分得到转的角度，动态性能好，静态差，零飘基本无，很适合本系统。 综合考虑后决定采用方案三。

1.2轴流风机的选择 方案一：四线可测速、包含温控PWM调速轴流风机。此种轴流风机一般重量较大，启动时间长，虽然风量大但明显不适合本系统的实时检测调整的思路。 方案二：三线可测速轴流风机。此种轴流风机重量较轻，启动时间短，直接接驱动即可对其进行控速，风量也很大，比较符合题目各项要求的时间限制。 综合考虑后决定采用方案二。 3

1.3轴流风机个数与方位选择 方案一：两个轴流风机。两个轴流风机的摆放有两种方式，背对摆放和呈直角摆放。第一种方式只有两个方向的摆角，而垂直摆放则只有180°的摆角。 方案二：三个轴流风机。三个轴流风机呈等边三角形摆放，虽360°都可以达到，但是每两个轴流风机的夹角是钝角，合成后的力大大减小。 方案三：四个轴流风机。四个轴流风机两两垂直摆放，合力方向遍布360°，且合力的方向方便计算，合力的大小方便控制。 综合考虑后选择方案三。

1.4电机驱动的选择 方案一：ULN2003电机驱动模块。高耐压、大电流复合晶体管IC—ULN2003，ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003电机驱动模块电路简单，既可控制直流电机又可控制步进电机。由于电流的限制，只能驱动小型电机。 方案二：可实现电机正反转及调速,启动性能好，启动转矩大,工作电压可达到36V，可持续工作电流2A,此题中可同时驱动两台直流电机。TLP521-4光隔，L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机等。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，板载5V线性电源输出，纹波小，对单片机毫无干扰。 综合考虑轴流风机的工作电流，决定采用方案二。

2. 系统理论分析与计算 2.1PID的原理与运用 PID即比例、积分和微分，比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。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] 积分的上下限分别是0和t

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。 4

本系统中只用到了P和D，即比例和微分。陀螺仪的读出的角度传递给PID公式，PID公式计算后算出PWM值对电机进行调节。Pitch的返回值对3、4号电机进行调节，roll的返回值对1、2号电机进行调节，这样就可以实现风力摆的360°的摆动。

2.2风力摆系统与其空间模型 风力摆的实际模型如图一所示，其建立的空间模型竖直截面如图二所示，横向截面如图三所示，风力摆空间模型如图四所示。

图一 图二 如图二所示，根据直角公式可以得出h、θ与r之间的关系：sinhr，又结构一定时，已知h的值，由角度传感器可以得出θ的值，所以r的值即可求出。 如图一与图三所示，本系统在摆杆的下方放置一十字形的木板平台，在其四个相互垂直的方向放置四个相同型号的轴流风机，四个轴流风机面向外放置，当其一的轴流风机转动时，摆杆则向其相反的方向摆。例如，仅仅轴流风机1转动时，摆杆则向180°的方向摆动。又相邻两个轴流风机可以通过控制其PWM而得到不 图三 同合力F，所以360°的方向都可以得到，在此理论基础上，风力摆在横截面上可以做圆周运动。 理论计算：设轴流风机的风力分别为F1、F2、F3和F4，对V1和V3的合力

F进行分析，F的大小：2321FFF 5

F的方向： )arcsin(31FF 空间方程建立： 图中θ是陀螺仪与摆杆（z轴）的夹角，陀螺仪测出的Roll与Pitch分别是陀螺仪在xoz平面的投影，以及陀螺仪在yoz平面上的夹角；根据几何推导，我们可以列出方程： 确定θ的值，将陀螺仪测出的Roll和Pitch分别代入PID公式，整定参数，测得电机需要的PWM，即可做圆周运动；α是电机（或陀螺仪）与Y轴（0度测试线）的夹角，根据几何推导，我们 图四 可以列出以下方程确定以上的α，可以得出Roll和Pitch的关系，代入PID公式，整定参数，测得电机需要的PWM值，即可按不同角度画直线。

2.3陀螺仪的原理 在3D图形学中，最常用的旋转表示方法便是四元数和欧拉角，比起矩阵来具有节省存储空间和方便插值的优点，计算公式采用3D笛卡尔坐标系，定义绕Z轴、Y轴、X轴的旋转角度分别为Yaw、Pitch、Roll，如图五所示， 通过旋转轴和绕该轴旋转的角度可以构造一个四

元数：)2cos(w；

)cos()2sin(xx；

)cos()2sin(yy；)cos()2sin(zz。其中α是绕旋转轴旋转的角度，

)cos(x，)cos(y，)cos(z为旋转轴在x,y,z方向的分量（由此确定了旋转轴）。

本系统中根据陀螺仪得到的Pitch、Roll来的到风力摆的角度，返回给PID。 6

3. 总体设计 3.1系统构架与功能 本系统主要由激光笔，轴流风机，L298N电机驱动，矩阵键盘等组成。 STM32F103ZET6接收到陀螺仪收到的欧拉角，再进行PID调节得到PWM，将PWM返回到轴流风机，轴流风机控制转速使风力摆达到不同的角度，陀螺仪实时检测。如图六所示。

图六 3.2硬件电路图 图七为驱动L298N的电路图，图八为MPU9150的电路图。

图五 7

图六 3.3程序流程图

图七 4. 系统测试与总结 测试仪器：YB1731A2A直流稳压电源，秒表，直尺。 8

1. 基础部分一表格，测试十次均达到所要求，其距离与时间列表如下： 距离 53cm 54cm 52cm 53cm 52cm 54cm 55cm 52cm 56cm 56cm 时间 12.5s 13.7s 12.1s 12.4s 12.2s 13.6s 13.7s 12.2s 13.8s 13.9s

2. 基础部分二表格，表中时间数据为十次测试的平均值，其距离如下图所示： 距离 30cm 35cm 40cm 45cm 50cm 55cm 60cm 时间 5.3s 6.2s 6.7s 8.5s 10.1s 11.2s 12s

3. 基础部分三表格，表中数据均在‘画出不短于20cm的直线段’的条件小测出，每个角度的时间为5次试验数据的平均值，其设置的角度与到达稳定的时间如下图所示： 角度 30° 45° 50° 70° 100° 120° 160° 180° 时间 10s 12.2s 15s 16s 16.2s 16.5s 16.4s 16.7s

4. 基础部分四表格，将风力摆拉起一定的角度（30°~45°）放开，制动达到静止的时间如下图所示： 时间 4.5s 5.1s 4.3s 4.6s 4.6s 4.7s 5.2s 4.4s 4.5s 4.6s

5. 发挥部分一表格，所画圆的半径在15cm~35cm内可设置，表中的重复次数均为10次试验数据的平均值，结果如下图所示： 半径 15cm 20cm 23cm 28cm 31cm 33cm 35cm 重复次数 4 5 5 6 5 4 6

实验证明本系统能成功达到题目的要求，且结构稳定完全适应做风力摆，从结构到算法队员都亲力亲为，讨论结构，分析方案，分析算法。此系统中轴流风机是一个关键，之前轴流风机的选择不正确，怎样系统都摆不起来，后来换了适宜的之后，程序算法就比较顺利了。算法也是此题的难点，算法基本确定使用PID之后就开始调试，过程是艰辛的，结构误差是程序调试的难点，庆幸此题按时顺利完成。

5.参考文献 [1]（丹）汉森.肖劲松 译. 风力机空气动力学（第二版）.中国电力出版社，2009 [2] 李小松， 马利业. 悬挂运动控制系统[J]. 四川兵工学报， 2010(7). [3] 刘华章，张晨亮，唐建华. 悬挂运动控制系统设计， 2006(5). [4] 戚璠，唐涛，刘波. 悬挂运动控制系统的循迹算法研究[J]. 计算机与现代化， 2008(1) .

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风摆控制实验系统设计

风摆控制实验系统设计

风摆控制实验系统设计余善恩;李真【摘要】The experimental system aims to meet the teaching and studying requirements ,which provides the experimental platform for learning the principle of automatic control ,MCU ,embedded system ,etc .The main research contents include design of angular surveying ,control & drive module ,and PC software .MPU6050 was used for angular surveying ,PID control algorithm was used to control the flap to go to the target angular , and PC software was used for display ,analysis ,and processing .%为满足"自动控制原理"实验教学的需要,研发了一套风摆控制实验系统.该系统分为角度检测模块、控制驱动模块、上位机软件3部分.控制驱动模块接收来自角度检测模块的风摆角度信息,与上位机设定的目标角度进行比较,计算出当前的风机驱动量并调节风机风力,将风摆控制到目标位置.该系统提供了一个综合性实验平台,能够灵活地应用于单片机、嵌入式系统、电机控制等课程.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2017(034)006【总页数】4页(P135-138)【关键词】风摆;自动控制;PID控制;实验系统【作者】余善恩;李真【作者单位】杭州电子科技大学自动化学院 ,浙江杭州 310018;杭州电子科技大学自动化学院 ,浙江杭州 310018【正文语种】中文【中图分类】G642.423“自动控制原理”是自动化类专业本科生的重要专业课，也是其他院系本科生的专业基础课或选修课。

风力摆运动控制系统设计

风力摆运动控制系统设计

风力摆运动控制系统设计张国军;李绍明;闫孝姮;李威;朱正印【摘要】系统以32位的MK60 DN256 ZVLL10单片机为核心,通过运动处理传感器MPU6050测量风力摆在三维空间的位置,控制安装在摆杆底端的4个轴流风机使得风力摆运动.在风力摆正下端置一激光笔,根据MPU6050的反馈数值及三角函数运算,运用两个独立PID算法,控制风力摆做直线或圆周运动,且在圆周运动时使风力摆受到50～60W台扇在水平方向吹风的干扰后,可以5s内恢复运动轨迹.实验数据表明:风力摆能够在15 s内,完成设定的直线运动,轨迹误差小于±0.5 cm;能够在20 s完成设定半径的圆周运动,轨迹能够在设定半径±2.5 cm的圆环内.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2016(035)012【总页数】4页(P106-109)【关键词】轴流风机;MPU6050;运动控制【作者】张国军;李绍明;闫孝姮;李威;朱正印【作者单位】辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105【正文语种】中文【中图分类】TP272全国大学生电子设计竞赛的竞赛规模日益扩大，2015年全国共有1 097所高校、13 063支队伍、39 189名学生报名参加此次赛事，在规模上堪称历届之最。

其中控制类题目倍受青睐，占选题总数的1/3[1]。

近年来，大赛引领控制目标从二维向三维空间过渡，B题风力摆控制系统应运而生[2]。

本文研究的风力运动摆控制系统不仅达到了赛题的各项要求，同时可作为一个典型的实验对象，为理论教学和课外实践搭建了良好的操作平台[3,4]。

系统以32位单片机MK60DN256ZVLL10为控制核心，通过MPU6050运动处理传感器对风力摆位置信息的判断，辅以矩阵键盘、液晶显示屏、激光笔以及轴流风机等电路，实现了风力摆运动控制系统。

新能源风力发电智能控制系统的设计与优化

新能源风力发电智能控制系统的设计与优化

新能源风力发电智能控制系统的设计与优化随着社会经济的飞速发展，人们对清洁能源的需求越来越迫切。

作为一种环保、可再生的能源，风力发电在近年来得到了越来越广泛的应用。

然而，传统的风力发电系统存在诸多问题，如风场资源的不稳定性、功率输出的不可控性等，这些问题直接影响到风力发电系统的效率和稳定性。

针对这些问题，设计一套智能控制系统来优化风力发电系统的运行至关重要。

一、风力发电系统的原理风力发电系统利用风能驱动风力发电机转动发电，将机械能转化为电能。

风力发电机是核心部件，是通过风轮叶片的受力转动发电机转子以实现电能输出。

而智能控制系统则可以监测风场风速并实时调整叶片的角度、转速等参数，以最大程度地提高风力发电系统的风能利用率。

二、风力发电系统的挑战然而，由于风速的不稳定性和不可控性，传统风力发电系统存在发电效率低下、维护成本高等问题。

而传统的固定式风力发电机难以适应复杂多变的风场环境，因此如何设计一套智能控制系统，以提高风力发电系统的稳定性和效率成为亟待解决的问题。

三、智能控制系统的设计目标针对风力发电系统存在的问题，智能控制系统的设计目标主要包括：提高系统的发电效率、降低系统的维护成本、提高系统对复杂多变风场环境的适应能力。

通过优化设计智能控制系统，可以实现风力发电系统的智能化运行，从而更好地利用风能资源。

四、智能控制系统的关键技术为了实现智能化控制风力发电系统，需要运用现代控制理论与技术，如传感器技术、信号处理技术、信息传输技术等。

传感器技术可以实时采集风场环境变量信息，信号处理技术可以分析处理这些信息，从而实现智能控制系统对风力发电系统的监测与调控。

五、智能控制系统的应用领域智能控制系统在风力发电系统中的应用领域包括：对风场环境变量的实时监测、对风力发电机的转速、叶片角度等参数的实时调整、对发电效率的优化调控等。

通过智能控制系统的运用，可以提高风力发电系统的稳定性和效率，降低维护成本，实现风力发电系统的智能化运行。

基于plc风力发电控制系统的设计(毕业设计)

基于plc风力发电控制系统的设计(毕业设计)

摘要全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到2050年，世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。

地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。

能源对经济级社会发展都至关重要，但这也带来了环境方面的挑战。

我们必须探索能源生产与消费的各个方面，包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。

风力发电的发展是时代的需要。

在风力发电控制系统中，基于PLC为主控制器的设计是未来的发展方向。

本设计基于PLC的风力发电控制系统，旨在保证风力发电机偏航系统、齿轮箱、液压系统、发电机正常工作；通过选择合适的控制方法，使系统能更加稳定的运行，进而可以有效提高风力利用率。

设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路、齿轮箱及液压站的运行和工作情况进行了设计，并绘制了相应的电气原理图。

在控制电路中还说明了PLC、电动机及相应低压器件的型号选择，绘制了I/O接线图；在发电机控制电路中，设计了发电机的转速控制方面；偏航电路中，设计了对风、解缆功能；在液压系统中，设计了温控、压力控制功能；在齿轮箱系统中，设计了油位控制功能。

同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序，并进行了相关调试，另外利用S7-200仿真软件进行了系统仿真验证，仿真结果满足设计要求。

关键词：可编程控制器；偏航；液压系统；控制系统；风力发电ABSTRACTGlobal population growth and developing economic expansion, to 2050, world energy demand may double or even increased two times. The whole of life on earth depends on both the energy and the carbon cycle. Energy for economic social development are crucial, but it has also brought environmental challenges. We must explore the energy production and consumption in all aspects, including improving energy efficiency, clean energy, the global carbon cycle, carbon resource, waste and biomass, but also pay attention to them and climate and natural resource problems between. Wind power development is the need of the times.In the wind power control system based on Programmable Logic Controller (PLC), mainly is the design of future development direction. Based on the design of PLC wind power control system, in order to ensure the windmill generator yaw system, gear box, hydraulic system, the generator work; by selecting appropriate control method, making the system more stable operation, which can effectively improve the utilization rate of wind power.Design of the main generator control circuit, control circuit, gearbox and hydraulic station running and working conditions for the design, and draw the corresponding electrical schematic diagram. The control circuit also shows PLC, motor and corresponding low voltage devices model selection, rendering the I / O wiring diagram; in generator control circuit, design of the generator speed control; yaw circuit, design of wind, starting function; in the hydraulic system, design temperature control, pressure control function; in the gear box system, design the level control function.In the design of the detailed written parts control program, and the relevant debugging, while using S7-200 simulation software simulation system, and the simulation results and meet the design requirements.Key word:Programmable Logic Controller;Yaw;Hydraulic system;Control system;Wind Power目录1引言1.1选题目的和意义....................................1.2国内外风力发电现状.............................. 1.2.1国外风力发电现状............................. 1.2.2国内风力发电现状.............................. 1.2.3风电机组发展趋势............................. 1.2.4海上风电场的兴起..........................1.3 研究设想及方法.............................1.4 预期成果及意义..............................2系统整体方案设计...................................2.1 系统工作原理................................2.2 系统工艺流程................................2.2.1控制模式介绍...............................2.2.2各部分控制介绍.............................2.3 系统总体设计方案...........................2.4本章小结.....................................3控制系统硬件设计................................3.1 PLC概述..................................3.1.1 PLC的发展历程............................3.1.2 PLC的工作原理...........................3.1.3 控制系统的I/O通道地址分配.................3.1.4 PLC系统选型...........................3.2 扩展模块选型...........................3.2.1 数字量输出扩展模块EM222................3.2.2 数字量输入∕输出扩展模块EM223...........3.2.3 模拟量输入扩展模块EM231...........3.2.4 模拟量输入∕输出扩展模块EM235........3.3 电机及驱动器选型与应用设计................3.3.1 电机及驱动器选型........................3.3.2 偏航电机主电路设计......................3.4 检测元件选型与应用设计....................3.4.1 温度传感器选型.......................................3.4.2 压力传感器选型......................................3.4.3 液位传感器选型......................................3.4.4 偏航角度传感器和转速传感器选型......................3.4.5风向标、风速仪选型..................................3.5 低压电器选型..........................................3.5.1 接触器选型..........................................3.5.2 断路器选型..........................................3.5.3 熔断器选型..........................................3.5.4 主令电器选型........................................3.5.5 信号电器选型....................................... 3.6 系统配电及电源选型...................................3.7 本章小结............................................. 4控制系统软件设计.......................................4.1 程序流程图的设计.....................................4.1.1 启停控制流程图....................................4.1.2 偏航解缆控制流程图................................4.1.3 齿轮箱系统控制流程图..............................4.1.4 发电机系统控制流程图..............................4.1.5 液压系统控制流程图.................................4.2 控制程序设计.........................................4.3 组态界面设计.........................................4.4 程序调试.............................................4.5本章小结.............................................. 5结束语.................................................. 参考文献.................................................. 致谢..................................................第1章引言1.1 目的和意义由于全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到2050年，世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。