简易风洞及控制系统
简易风洞控制系统设计
简易风洞控制系统设计作者：张亚来源：《电子世界》2014年第19期【摘要】本设计主要通过MSP430单片机控制直流风机完成简易风洞试验。
风洞由圆管，连接部与直流风机构成，由单片机产生PWM控制直流风机的转速，通过红外对管阵列采集光强信息检测小球在圆管中的位置，同时由12864液晶显示小球的高度位置及维持状态的时间，从而实现小球在简易风洞中的位置控制。
【关键词】风洞;MSP430;控制系统1.引言风洞，是指在一个管道内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进行空气动力实验的一种设备。
最常见的是低速风洞。
但由于风洞造价过高，导致对气流研究成本偏高。
所以本次设计为一个简单的风洞，可以在导管中研究小球漂浮时气流对它的影响。
2.总体设计方案本系统主要由主控板模块、测距模块、显示模块、电机驱动模块、电源模块组成，系统方框图如图1所示。
图中MSP430控制器模块为系统的核心部件，按键和液晶显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并通过控制器显示到液晶屏上。
在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到风机驱动电路中，控制直流电机转速，同时控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速达到实时、准确控制的目的。
图1 系统总体框图3.硬件设计3.1 微控制器电路设计MSP430是一个超低功耗的16位单片机，它处理速度快、运算能力强、功耗低、片内资源丰富、开发方便。
其最小系统如图2所示。
3.2 传感器电路设计传感器部分采用红外对管进行小球位置点信息的采集。
红外分为两个部分，一个部分为发射，另外一部分为接收，每当小球穿过红外的时候，电路会给主控芯片送入低电平，从而达到判断小球位置的目的。
电路图如图4所示。
图2 MSP430单片机最小系统电路原理图图3 红外测距模块电路原理图3.3 直流风机驱动电路设计电机驱动芯片L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
电赛控制类竞赛试题分析
有
虚短
自衡特性---扰动作用破坏工况后，在无人员或调节器干预下能够自动恢复平衡。
自衡标志---能否对破坏工况的扰动施加反作用。
analyze
自动控制系统的对象特性分析
结论
电动车跷跷板无自衡
帆板控制系统有自衡。
定值控制：帆板控制系统、电动车跷跷板
大部分实际系统都是开环稳定
用高精度角度传感器测量偏 离角度，转换为线性电压输出值； 题目要求摆动幅度在正负4°内，对应输出电压为2. 45 ~2. 55伏； 分压电路和电压比 较器产生单片机检测信号，根据信号控制小车。
电赛控制类竞赛试题分析
主要内容
程序控制类题目的内容拓展 2. 算法的适当选择与实际应用
高职高专组电子设计竞赛试题归纳：
控制类
放大器类
数据采集类
电源类
信号源类
仪器仪表类
无线电类
2007 J
2009 I
2011 F
模拟路灯控制系统
帆板控制系统
电动车跷跷板
简易风洞及控制系统
1.程序控制系统 2.定值控制系统
调节规律
P（%）
Ti
Td
P
Ps
PI
1.2 Ps
0.85 Ts
PID
0.8 Ps
0.3 Ts
0.1 Ts
自动控制系统参数选择
比例承担主要的控制，积分消除余差，微分解决反应迟缓。
给定大于反馈
现场应用实例---PI
现场应用实例---PI改进
MATLAB参数选择验证
---比例系数；
---积分系数；
---微分系数；
程序控制
定值控制
定值控制
控制形式
风洞实验室的自动化控制系统电磁兼容问题分析与解决
风洞实验室的自动化控制系统电磁兼容问题分析与解决风洞试验研究的应用在社会生产中占有十分重要的地位。
随着生产领域和技术的不断发展，对风洞动力需求具备宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等相应的要求，随着电力电子技术的飞跃发展，各种容量和型式的变频电源、整流装置的研制成功以及计算机技术、控制理论的发展，使得交流调速传动在调速系统中应用领域不断拓宽，如何维护好变频调速器控制系统的正常工作，是从事工业自动化专业的工程技术人员所面临的实际问题，也是风洞试验数据精度提高的保证。
1、风洞工作原理风洞是能人工产生和控制气流以模拟飞行器或物体周围气体的洞，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道试验设备。
风洞的动力段装有电机及风扇系统，电机在交流变频调速下旋转，带动桨叶，电能转变为桨叶的机械能，桨叶的机械能转变为空气介质的压力能，在风洞管道内产生介质的流动。
通过对气流的修整，使之成为均匀平稳的气流，以便满足试验用流场。
2、风洞控制系统2.1 风速控制由变频器、PID调节器、配套低压电器及压力传感器组成了变频调速系统如图1所示，系统中压力传感器负责检测系统压力差，将压力信号变换为电阻信号作为反馈输入PID调节器，经过与给定信号进行比较后其偏差值采用优化的PI算法输出控制信号控制变频器的输出频率，保证风速的恒定。
2.2 角度控制风洞试验过程中时常要改变试验模型的角度，从而可以不间断测量各个角度对应的试验量，节省了时间，提高了效率和精度，实现全部自动化。
3、电磁兼容问题三要素3.1 电磁骚扰源：任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，即称为电磁骚扰源。
3.2 耦合途径：即传输骚扰的通路或媒介。
3.3 敏感设备（Victim）：是指当受到电磁骚扰源所发出的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。
简易风洞及控制系统设计
１ 设计 任务
本设 计 为我 指 导 的 ２ ０ １ ４年 电子 设 计 大 赛 题 目 ， 要 求 实现一 个 简易风 洞控 制 系统 。硬件 方 面 ， 我 们将 设 计 分为四个模块 ， 分别是 电机驱动模块 ， 超声波传感器模 块， 单 片机模 块 和液 晶显示模 块 。单 片机 和 电机 驱 动用 于控制风力的大小和稳定性 ， 超声波模块利用超声波传 感 器对 简易 风 洞 内乒 乓 球 的位 置进 行 判 断 。液 晶显 示 模 块可 以实 时监测 小 球 的运 动情 况 。软 件方 面 ， 我 们利 用Ｋ Ｅ Ｉ Ｌ软 件 进 行 单 片机 编 程 ， 利用 Ｐ Ｒ Ｏ Ｔ Ｅ Ｕ Ｓ软 件 实 现模 拟仿 真 。 ２ 方 案论证 ２ ． １ 圆管 的选择 方 案一 ： 使 用不 透 明 的 Ｐ Ｖ Ｃ管 ， 需 要 开凿 一个 ３ ０ ｃ ｍ 的 长 条 形槽 孔来 观 察 乒 乓 球 的位 置 ， 并 需 要 将 槽 用 胶 带 粘 好， 保证 密封 性 ， 但是 观察 不够 直观 ， 且容 易 出现密 封 不 好 的 现象 。 方 案二 ： 选择使用透明的有 机玻璃管 ， 透 明度好 ， 密封 良好 且 不 易损坏 ， 更 容易 加工 。 综上 ， 我们最终选择使用有机玻璃管。 ２ ． ２ 支架的 选择 方案一 ： 直接使 用 四根 长螺 丝 固定 风 扇 ， 再 用 圆管 和 风扇 连 接 固定。但密封性稍差 ， 且 当玻璃管上方加传感 器后 ， 高度 增加 ， 导致 重心 不稳 ， 稳定 性 不够 。 方案 二 ： 使用 ４ ｍ ｍ 粗 铁丝 制作 圆盘 底座 ， 底座 上 加有铁 块 配重 增加 稳定 性 ， 底 座 上有支 架分 别支 撑 有机 玻 璃管 的 上部 与风 扇底 部 ， 稳 定性 较好 。 综合 考虑 各种 因素 ， 我们 最 终选择 方 案二 。
简易风洞及控制系统设计
过D超过D维持BC段管口A处2球放入自
动启动பைடு நூலகம்动正常下落不超
过D超过D维持BC段管口A处3球放入自
动启动启动正常下落不超
过D超过D维持BC段管口A处
分析：小球放入后可以自动启动，但是风力调整不好，主要是由于占空比调节不好导致风力过大，小球不能维持在BC段。
（5）小球AB-CD段往返运动
方案一：
直接使用四根长螺丝固定风扇，再用圆管和风扇连接固定。但密封性稍差，且当玻璃管上方加传感器后，高度增加，导致重心不稳，稳定性不够。
方案二：
使用4 mm2粗铁丝制作圆盘底座，底座上加有铁块配重增加稳定性，底座上有支架分别支撑有机玻璃管的上部与风扇底部，稳定性较好。
综合考虑各种因素，我们最终选择方案二。
（3）LCD显示小球高度位置及小球维持状态计时，测试结果如下表：
次数LCD显示小球
高度/s实际小球
高度/sLCD维持
状态计时/s实际计时/s1404155227266739777
分析：由以上数据得，超声波测距工作不是太稳定，容易受外界因素影响。
（4）风机自动启动部分测试数据如下表：
次数要求实际情况要求实际情况要求实际情况1球放入自
次数要求实际情况要求
时间/s实际
计时/s123AB维持3～5 s，CD维持3～5 s，再AB维持3～5 s，CD维持3～5 s，冲出圆管能上下运动，但不到规定段位，可以冲出能上下运动，但不到规定段位，可以冲出能上下运动，但不到规定段位，可以冲出3030301622255结论
（1）电机的选择上出现了错误，开始选用步进电机，转速不够，在风洞系统中乒乓球无法被现在的风力吹起来，通过更换电机得到改善。
所以，综上考虑，最终我们选择HC-SR04超声波传感器。
简易风洞及控制系统设计报告模板
简易风洞及控制系统设计报告TI杯大学生电子设计竞赛简易风洞及控制系统G题（高职高专组）.8.13摘要风洞是以人工的方式产生而且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常见、最有效的工具。
本设计主要经过MSP430单片机控制直流风机完成简易风洞试验。
风洞由圆管，连接部与直流风机构成，由单片机产生PWM 控制直流风机的转速，经过红外对管阵列采集光强信息检测小球在圆管中的位置，同时由12864液晶显示小球的高度位置及维持状态的时间，从而实现小球在简易风洞中的位置控制。
关键词：MSP430，直流风机，红外对管，风洞目录1.系统方案........................................................................................ ４1.1 主控板模块的论证与选择 ................................................... ４1.2 测距模块的论证与选择 ....................................................... ４1.3 显示模块的论证与选择 ....................................................... ４1.4 电机驱动模块的论证与选择 (5)1.5 电源模块的论证与选择 (5)2.电路设计 (6)2.1系统总体框图 (6)2.2单片机最小系统............................................................................................................. .. (6)2.2.1 MSP430单片机介绍 (7)3.1.2 单片机最小系统设计框图 (8)3.1.3 单片机最小系统设计原理图 (8)2.3红外对管阵列测距模块及其电路 (9)2.3.1红外对管工作原理 (9)2.3.2红外对管阵列电路图 (9)2.4直流风机模块及其电路 (10)2.4.1直流电机驱动L298N (10)2.4.2 L298N内部结构及电路图 (10)2.5显示模块及其电路 (11)2.5.1 12864液晶显示介绍 (11)2.5.2液晶并行接口说明 (12)2.5.3接口信号说明 (12)2.6电源模块及其电路 (13)2.6.1直流稳压电路工作原理 (13)2.6.2直流稳压电源电路图 (13)3程序设计 (14)3.1程序功能描述 (14)3.2程序设计思路 (14)3.2.1 PWM控制风机转速 (14)3.2.2 PID闭环调节 (14)3.３程序设计思路 (15)3.３.1 主程序流程图 (16)3.３.2 PWM调速子程序流程图 (16)4测试方案与测试结果 (16)4.1测试方案 (17)4.2 测试条件与仪器 (17)4.3 测试结果及分析 (17)4.3.1测试结果(数据) (18)4.3.2测试分析与结论 (18)5 设计总结 (19)附录1：电路原理图 (20)附录2：源程序 (21)1.系统方案本系统主要由主控板模块、测距模块、显示模块、电机驱动模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
风洞控制系统设计及检定准则
风洞控制系统设计及检定准则哎呀，今天我们来聊聊风洞控制系统设计和检定准则。
这听起来有点高深莫测，其实嘛，简单说就是我们要如何控制那些在风洞里飞得飞起的模型。
风洞，顾名思义，就是个能模拟风速和空气流动的地方。
想象一下，你在海滩上，迎着海风，感觉那风吹得爽爽的，其实就是我们在风洞里模拟的环境。
为了让这些小模型在风中翱翔得又稳又快，控制系统的设计就显得格外重要。
你可能会想，风洞控制系统到底有什么用呢？它就像是一位老练的导演，指挥着舞台上的每一个细节。
你想想，要是没有这些控制系统，风洞里的模型就像无头苍蝇一样乱飞，那可就热闹了。
但是，热闹归热闹，没效果可不行呀。
控制系统能够精确地调节风速、温度和气压，确保每一个试验都能如火如荼地进行。
想要让这些模型飞得稳，就得精确控制，哪怕是微小的变化，都会影响到最后的结果，真是“千里之行，始于足下”啊。
检定准则就成了我们的安全网。
就像考试前你会复习，确保能考个好成绩，检定准则就是保证我们每一次试验的准确性。
风洞测试不是随便玩玩的，它需要严谨的标准和流程，确保结果的可靠性。
否则，要是数据不靠谱，最后可就得不偿失了。
就像做饭，调料放多了或少了，味道可就大不一样了。
这些准则就像是菜谱，缺一不可，得严格遵循。
我们还得提一下，控制系统的设计其实也很有学问，像是架构师设计房子，得考虑到各种因素。
系统得简单易操作，毕竟谁也不想花大把时间去琢磨一个复杂的界面。
系统得稳定，像老黄牛一样，踏实可靠。
你想啊，风洞测试时一旦出现故障，那就麻烦了，模型可能会“飞”得无影无踪。
设计时还得考虑到后续的维护，这可不是小事儿，维护不好，就像房子漏水，麻烦不断。
在实施的过程中，团队的合作至关重要，大家得像一台精密的机器，各司其职。
一个环节出问题，整个流程都可能受到影响。
就像篮球赛，单靠一个人是赢不了的，得全队齐心协力。
团队成员之间的沟通也不能忽视，谁负责哪个环节，都得清楚明白。
大家一起努力，才能让风洞里的小模型飞得又稳又快。
一种简易风洞模拟控制系统设计
一种简易风洞模拟控制系统设计
王晨;吴凡;王晓娜
【期刊名称】《大学物理实验》
【年(卷),期】2016(029)003
【摘要】介绍了简易风洞模拟系统的设计及制作。
本设计以XS128单片机为主控芯片，利用涡轮式轴流风机来为小球的运动提供动能。
通过在风洞表面安装的CCD传感器来检测小球位置，而后通过PID算法对轴流风机的抽风量进行进一步调校。
从而形成一个完整的闭环控制系统，实现对风动系统的模拟。
【总页数】5页(P39-43)
【作者】王晨;吴凡;王晓娜
【作者单位】大连理工大学，辽宁大连 116024;大连理工大学，辽宁大连116024;大连理工大学，辽宁大连 116024
【正文语种】中文
【中图分类】O4-33
【相关文献】
1.一种简易风洞模拟控制系统设计 [J], 王晨;吴凡;王晓娜;
2.简易风洞测控系统设计 [J], 王敏敏;王瑞鹏
3.基于MSP430F5529的简易风洞控制系统设计 [J], 胡进德;付晓军
4.基于模糊PID的简易风洞控制系统设计 [J], 余云飞; 李中望; 邓旭辉; 段争光; 沈璐
5.基于模糊PID的简易风洞控制系统设计 [J], 余云飞; 李中望; 邓旭辉; 段争光; 沈璐
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简易风洞及控制系统
简易风洞及控制系统（G题）摘要：本帆板控制系统由单片机ATMEGA328作为帆板转角的检测和控制核心，实现按键对风扇转速的控制、调节风力的大小、改变帆板转角θ、液晶显示等功能。
引导方式采用角度传感器感知与帆板受风力大小的转角θ的导引线。
通过PWM波控制电机风扇风力的大小使其改变帆板摆动的角度θ。
风扇控制核心采用L298电机驱动模块，用ATMEGA328单片机为控制核心，产生占空比受数字PID 算法控制的PWM脉冲，实现对直流电机转速的控制，同时利用光电传感器将电机速度转化成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。
MMA7455三轴加速传感器把角度输出信号传送给ATMEGA328单片机进行处理。
关键词：ATMEGA328，MMA7455，PWM波，PID算法目录1. 系统设计1.1 任务与要求1.1.1 主要任务1.1.2 基本要求1.1.3 说明1.2总体设计方案1.2.1 设计思路·1.2.2 方案论证与比较1.2.3 系统的组成2. 单元电路设计2.1 风速控制电路2.2小球测距原理2.3控制算法3. 软件设计3.1风速控制电路设计计算3.2控制算法设计与实现3.3程序流程图4. 系统测试4.1 调试使用的仪器与方法4.2 测试数据完整性4.3 测试结果分析4.4 结束语5. 总结参考文献附录1 元器件明细表附录2 电路图图纸附录3 程序清单1.系统设计1.1任务与要求1.1.1 主要任务设计制作一简易风洞及其控制系统。
风洞由圆管、连接部与直流风机构成，如图所示。
圆管竖直放置，长度约40cm，内径大于4cm且内壁平滑，小球（直径4cm黄色乒乓球）可在其中上下运动；管体外壁应有A、B、C、D等长标志线，BC段有1cm间隔的短标志线；可从圆管外部观察管内小球的位置；连接部实现风机与圆管的气密性连接，圆管底部应有防止小球落入连接部的格栅。
控制系统通过调节风机的转速，实现小球在风洞中的位置控制。
简易风洞及控制系统
简易风洞及控制系统(专科组G题)作者：王康、赵辉、张帅帅赛前辅导教师：吉武庆文稿整理辅导教师：吉武庆摘要本文介绍了简易风洞控制系统的设计方案。
本设计以STC89C52RC单片机为主控芯片,利用涡轮式轴流风机来为小球的运动提供动能。
通过在风洞表面安装的8个光电式光线传感器来检测小球位置，而后通过PID算法对轴流风机的抽风量进行进一步调校.从而形成一个完整的闭环控制系统。
关键词：PID算法，PWM调速，闭环控制AbstractThis paper introduces the design plan of a simple wind tunnel control system. The design STC89C52RC microcontroller as the main control chip, using turbine type axial flow fan to provide kinetic energy for the movement of the ball. To detect the location of the ball in a wind tunnel by surface mounted 8 photoelectric light sensor, and then through the exhaust volume PID algorithm flow fan on the shaft was further adjusted. So as to form a complete closed-loop control system. Keywords: PID algorithm, PWM speed control, closed loop control目录目录 (1)1、系统方案 (2)测距模块选型： (2)方案一：超声模块测距法 (2)方案二：多重红外对管相对测距 (2)风机控制算法选择： (3)方案一：模糊控制 (3)方案二：PID控制 (3)2、系统理论分析与计算 (5)2.1、主要部件的分析 (5)2.1.1、ST188介绍 (5)2.1.2 LM339介绍 (5)2.1.3、STC89C52RC介绍 (6)2.2、PWM的产生 (8)3、系统框图 (10)3.1、系统结构框架图 (10)3.2、程序流程图 (10)4、系统功能测试方法、测量仪器型号、结果、整机指标 (12)4.1、软硬件连调 (12)4.2、测试条件与测试仪 (12)4.3、测试仪器： (12)5、测试结果与分析 (13)6、参考文献 (14)1、系统方案该简易风洞控制系统主要由控制模块，供电模块，显示模块，键盘输入模块，风机驱动模块和位置检测模块组成。
风洞的结构和原理
风洞的结构和原理
风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成。
洞体中有一个能对模型进行必要测量和观察的实验段，实验段上游有提高气流匀直度、降低湍流度的稳定段和使气流加速到所需流速的收缩段或喷管，下游有降低流速、减少能量损失的扩压段和将气流引向风洞外的排出段或导回到风洞入口的回流段。
有时为了降低风洞内外的噪声，在稳定段和排气口等处装有消声器。
驱动系统是由可控电机组和由它带动的风扇或轴流式压缩机组成。
风扇旋转或压缩机转子转动使气流压力增高来维持管道内稳定的流动。
改变风扇的转速或叶片安装角，或改变对气流的阻尼，可调节气流的速度。
风洞的工作原理是：当飞机在空中移动时，会产生空气阻力。
因此，当空气流过静止的模型时，也会产生同样的阻力。
风洞使物体周围的空气流动，使物体看起来像真的在飞行。
在最基本的情况下，风洞本质上是一个巨大的管道，里面有一个强大的风扇，可以将空气吹到管道的中间。
隧道有些地方更宽，有些地方更窄。
在管道较窄的地方，空气必须加快速度才能通过。
管子越窄，空速就越快。
被测试的物体，无论它是一个小模型、一个交通工具的部件，还是一架全尺寸的飞机，都被固定在隧道里，使它不会移动。
静止物体周围的空气显示了物体在空气中移动时会发生什么。
以上信息仅供参考，如有需要建议查阅关于风洞的书籍或者咨询工程师。
简易风洞装置的设计
简易风洞装置的设计本设计主要通过MSP430单片机控制直流风机完成简易风洞实验装置。
该装置用小球模拟飞行器，通过红外对管阵列采集光强信息检测小球在圆管中的位置，由单片机产生PWM信号控制直流风机的转速，使小球维持在设定的高度和状态，由12864液晶显示小球的高度及维持状态的时间，实现小球在简易风洞中的位置控制。
标签：风洞MSP430 PWM一、引言风洞实验室，是指以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备[1]。
该实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分，一款新的飞行器成功推出必须通过风洞实验。
由于风洞的控制性佳，可重复性高，所以风洞实验不仅应用于航空航天工程，而且在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域也广泛地应用。
2015年，在学校的职业生涯规划课中，我有幸参观了西南交通大学的XNJD-3风洞并体验了风洞的神奇效果，为此，我一直念念不忘自己设计一个简易的风洞装置。
终于在暑假期间，在老师的指导下，网上购买器材和元件，搭建并编程制作了一个简易风洞装置。
二、系统设计与实现1.方案设计风洞装置由圆管、连接部与直流风机构成，如图2.1所示。
风洞竖直放置，内径大约4.5cm且内壁透明平滑，小球可以在其中上下运动；管体外壁标有A、B、C、D标志线，BC段有1cm间隔的短标志线；风机在风洞的底部，上面有防止小球落入的格栅。
测试人员通过键盘输入小球的位置信息，调节风机的转速，实现小球在风洞中的位置控制。
按照控制要求，系统主要由主控模块、测距模块、显示模块、键盘输入模块、电机驱动模块、电源模块组成。
系统控制框图如图2.22.电路设计系统主控模块采用TI公司的MSP430F149，此款单片机功耗低、有看门狗（WDT）、模拟比较器、16位定时器、液晶驱动器、10 /12位ADC、PWM等丰富的内外设，性价比高[2]。
电源模块通过降压、整流滤波、稳压处理（如7812、7805等）形成。
风洞控制系统测试性的优化-精品文档
风洞控制系统测试性的优化测试性（Testability）影响装备的可用性、可靠性和维修性，因而是影响装备战备完好性的重要因素。
测试性良好的系统，能够减少装备维修保障过程中的繁琐而杂乱的维修活动，缩短故障检测和诊断的时间，降低对维修人员的技能要求。
风洞控制系统，作为确保整个风洞运行的基础，具有重要的作用，它包含多个工控机、PLC以及人机操作系统等多个设备，具有结构复杂，器件繁多，涉及面广等特点。
而目前风洞控制系统在研制阶段对故障诊断考虑较少，（往往仅在智能部件或者网络节点处增加了故障自检能力）导致控制系统故障诊断效率低，经费高，降低了风洞的效能。
因此，必须重视风洞控制系统的故障检测和故障诊断能力的提升，而只有从控制系统研制开始就进行测试性设计，才能从根本上解决这个问题。
1 测试性分析及诊断策略优化理论目前，基于相关性模型的测试优化设计方法成为国内外研究的热点，测试性分析是测试性设计的关键。
测试性分析主要用于解决导致诊断能力降低的系统拓扑逻辑缺陷。
测试性分析结束后可以得到模型的测试性参数，将这些参数与系统测试性指标要求比较，分析是否满足指标和实际需要，如果不满足，需要对故障模糊组、不可检测故障、冗余测试、反馈回路等内容进行分析，并考虑修改系统测试方案和调整测试性模型。
风洞控制系统测试性分析流程为：首先对控制系统进行相关性建模，得到相关性矩阵，然后通过测试性分析该系统的测试性指标是否满足要求，如果满足则可以进行诊断策略优化设计，如果不满足则需要考虑改进系统结构，直到满足测试性指标为止。
据统计，在实际系统中，电子设备发生单故障的概率是故障总数的70%-80%，发生多故障的概率较低，且一些多故障往往又是相互联系的，因此多故障可以看作单故障的简单组合，另外，一般来说多故障更多表现在卫星等长时间在太空运行而无人维护的航天器上，对于风洞等定期维护的设备来说以单故障结论居多。
因此，本课题主要针对单故障情况进行研究。
WTM-100微型精密智能风洞使用说明书
WTM-100
微型精密智能风洞
使
用
说
明
书
北京斯达恒通科技有限公司
中国*北京
WTM-100 微型精密智能风洞
一、产品简介
经济型、实验室级台式微型风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。
WTM-100微型精密智能风洞以快速准确地提供1.0-20m/s的标准风速,主要用于风表,风速传感器,以及其他气体流速表的标定,适用于矿业、气象、环保、建筑交通等部门，以进行各种风速计、
皮托管的测量与检验，并可用于大中专院校和科研部门进行空气动力学方面的研究与试验。
二、产品特点
WTM-100微型精密智能风洞体积小,稳定性高,开式工作流畅,适用面广，采用透明有机玻璃为材料，可形象的观察风洞试验的过程
三、主要技术指
工作温度： 5 ~ 45°C
工作相对湿度：相对湿度最大80%，无冷凝
测试腔：直径为100 mm
流速：1.0~20m/s（可设定多种风速）
精度：设定值的±1%或±0.1 m/s，以较大者为准
电源：220V（+10%～-15%）50Hz
电机功率：390w
转速：2350r/min
基本尺寸：1200*350*540
总重量：40Kg
四、产品配置
微型精密智能风洞 1台电源线 1根合格证 1张说明书 1本参考资料：北京斯达恒通科技有限公司。
用于简易风洞实验的控制系统[实用新型专利]
![用于简易风洞实验的控制系统[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/9ac721f86c175f0e7dd13736.png)
专利名称：用于简易风洞实验的控制系统专利类型：实用新型专利
发明人：李文龙,王鑫春,钱真同
申请号：CN201721107151.2
申请日：20170831
公开号：CN207115128U
公开日：
20180316
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提供了用于简易风洞实验的控制系统，包含电源模块、控制模块、风机、交互单元与超声波风速传感模块；控制模块还包含电荷泵电路、微分电路、峰值检测电路、A/D转换电路、基准单元、数字比较电路、第一驱动电路以及第二驱动电路；单片机控制单元与交互单元相连；超声波风速传感器的输出与单片机控制单元的输入相连；单片机控制单元的PWM方波输出端与第一驱动电路、第二驱动电路的输入端相连；第一驱动电路的输出与电荷泵电路相连；电荷泵电路的输出与微分电路、峰值检测电路、A/D转换电路顺序相连，A/D转换电路的输出与基准单元的输出分别与数字比较电路的输入相连，基准单元包含若干位数字电压。
本实用新型的有益效果在于控制更稳定。
申请人：重庆航天职业技术学院
地址：400021 重庆市江北区大石坝育航村1号
国籍：CN
代理机构：重庆中之信知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：张景根
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简易风洞及控制系统（G题）摘要：本帆板控制系统由单片机ATMEGA328作为帆板转角的检测和控制核心，实现按键对风扇转速的控制、调节风力的大小、改变帆板转角θ、液晶显示等功能。
引导方式采用角度传感器感知与帆板受风力大小的转角θ的导引线。
通过PWM波控制电机风扇风力的大小使其改变帆板摆动的角度θ。
风扇控制核心采用L298电机驱动模块，用ATMEGA328单片机为控制核心，产生占空比受数字PID 算法控制的PWM脉冲，实现对直流电机转速的控制，同时利用光电传感器将电机速度转化成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。
MMA7455三轴加速传感器把角度输出信号传送给ATMEGA328单片机进行处理。
关键词：ATMEGA328，MMA7455，PWM波，PID算法目录1. 系统设计1.1 任务与要求1.1.1 主要任务1.1.2 基本要求1.1.3 说明1.2总体设计方案1.2.1 设计思路·1.2.2 方案论证与比较1.2.3 系统的组成2. 单元电路设计2.1 风速控制电路2.2小球测距原理2.3控制算法3. 软件设计3.1风速控制电路设计计算3.2控制算法设计与实现3.3程序流程图4. 系统测试4.1 调试使用的仪器与方法4.2 测试数据完整性4.3 测试结果分析4.4 结束语5. 总结参考文献附录1 元器件明细表附录2 电路图图纸附录3 程序清单1.系统设计1.1任务与要求1.1.1 主要任务设计制作一简易风洞及其控制系统。
风洞由圆管、连接部与直流风机构成，如图所示。
圆管竖直放置，长度约40cm，内径大于4cm且内壁平滑，小球（直径4cm黄色乒乓球）可在其中上下运动；管体外壁应有A、B、C、D等长标志线，BC段有1cm间隔的短标志线；可从圆管外部观察管内小球的位置；连接部实现风机与圆管的气密性连接，圆管底部应有防止小球落入连接部的格栅。
控制系统通过调节风机的转速，实现小球在风洞中的位置控制。
1.1.2 基本要求（1）小球置于圆管底部，启动后5s内控制小球向上到达BC段，并维持5s 以上。
（2）当小球维持在BC段时，用长形纸板（宽度为风机直径的三分之一）遮挡风机的进风口，小球继续维持在BC段。
（3）以C点的坐标为0cm、B点的坐标为10cm；用键盘设定小球的高度位置（单位：cm），启动后使小球稳定地处于指定的高度3s以上，上下波动不超过±1cm。
（4）以适当的方式实时显示小球的高度位置及小球维持状态的计时。
（5）小球置于圆管底部，启动后5s内控制小球向上到达圆管顶部处A端，且不跳离，维持5s以上。
（6）小球置于圆管底部，启动后30s内控制小球完成如下运动：向上到达AB段并维持3~5s，再向下到达CD段并维持3~5s；再向上到达AB段并维持3~5s，再向下到达CD段并维持3~5s；再向上冲出圆管（可以落到管外）。
（7）风机停止时用手将小球从A端放入风洞，小球进入风洞后系统自动启动，控制小球的下落不超过D点，然后维持在BC段5s以上。
（8）其他自主发挥设计。
1.1.3 说明（1）题中“到达XX段”是指，小球的整体全部进入该段内；（2）题中“维持”是指，在维持过程中小球整体全部不越过该段的端线；（3）小球的位置以其中心点为准（即小球的上沿切线向下移2cm，或下沿切线向上移2cm）；（4）直流风机的供电电压不得超过24V，注意防止风机叶片旋转可能造成的伤害；可在圆管及其周围设置传感器检测管内小球的位置；可将圆管、连接部与直流风机安装在硬质板或支架上，以便于使圆管保持竖直状态，并保持风洞气流通畅。
（5）每一个项目最多进行三次测试；对于任何测试项目，测试专家可要求进行重复测试。
（6）风洞制作方法参考：圆管长度约40cm，可以选用透明的有机玻璃（或亚克力材料）圆管，也可以选用不透明的PVC圆管。
圆管的内直径必须大于40mm，保证小球（直径为40mm的乒乓球）在管内能够自由运动。
如果选用不透明的PVC圆管，为了能够方便直观地观察管内小球的位置，可以在管臂上沿轴线方向开凿宽度约5mm的长条形槽孔，再用宽的透明胶带贴在槽孔上，保证圆管的气密性。
开凿长条形槽孔后，应清除管壁内的残屑，以免影响小球的运动。
为了防止小球落入连接部，可将一根细铁丝或导线，用AB胶或透明胶带粘在圆管下端口处。
连接部的材料可以采用冰箱保鲜袋。
剪去袋底封口部分，得到一个两端开口的塑料薄膜“软管”。
将“软管”的一端包住圆管的下端口，并用透明胶带将重叠部分缠紧；将软管的另一端包住直流风机出风口的外沿，并用透明胶带将重叠部分缠紧。
注意直流风机的风向，应向连接部方向吹风。
可将风洞的圆管、直流风机部分固定在一块硬质板上，再固定硬质板，使圆管保持竖直状态；也可做一个三脚支架，将风洞的圆管部分固定在支架上并保持竖直状态，直流风机垂挂在圆管下方。
直流风机的进风口处应留有足够的空间，保证气流通畅。
1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路题目要求设计一个翻版控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力的大小，改变帆板转角θ。
设计中采用单片机PWM波电机控制方式，使得控制风扇风力的大小，帆板受到风力的大小从而改变帆板偏转的角度θ，角度传感器把检测到帆板的偏转角度传给ATMEGA48单片机进行处理达到设计所需的要求再用键盘进行调整，用液晶显示屏进行显示。
1.2.2 方案论证与比较1.电源的设计方案论证与选择系统需要多个电源，ATMEGA328、L298、MMA7455都使用5V的稳压电源，电机驱动需要24V电压。
方案一、采用LM2596开关电压调节器，能够输出3A的输出电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，固定输出3.3V、5V、12V经过调整可输出小于37V 的电压。
方案二、采用升压型稳压电路。
用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压进行直流斩波调压，得到5V和12V的稳压输出。
只需使用两节电池，既节省了电池，又减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法是相对庞大的系统稳定运作。
方案三、采用三端稳压集成7805与7824分别得到5V与24V的稳压电压。
利用该方法方便简单，工作稳定可靠。
综上所述，选择方案三，采用三端稳压电路。
2.角度传感器的设计方案论证与选择方案一、采用WDS35D4精密导电塑料角位移传感器，利用该传感器的输入端加上一个直流电压，在输出端得到一个直流电压信号，把角度位移的机械位移量转化成电压信号，用输出电压进行角度位移的控制。
用此传感器只要测量导轨电阻两端的直流电压，不同的角度有不同的电阻值，通过电阻来算出角度，计算不方便。
电刷在导轨上移动获得输出，数值越小，精度越高。
该传感器的优点：对环境条件要求低，线性精度高、分辨率高、动态的噪声小等优点，由于该传感器的各项精度都比较精细使其价格过高。
方案二、采用电位器进行调角：帆板转动时电位器跟着转动，电压随之发生变化，通过电压的值转换成角度值。
但扭力过大，而且精度也不高。
方案三、采用MMA7455三轴加速度传感器，利用物体运动和方向改变输出信号的电压值，把检测到的信号传送给ATMEGA328的AD转化器进行转化与读取此输出信号。
通过不同的角度，X、Y、Z三个方向的加速度输出不同，将电容值的变化转化为电压值，电容值的计算公式是：C=Ae/D，其中A是极板的面积，D是极板间的距离，e是电介质常数，再用反正弦函数把角度算出来，计算比较方便。
该传感器的优点：线性精度高、体积小、工作可靠、标识清晰、扩展性好等优点。
综上所述，选择方案三，用MMA7455三轴加速传感器。
3.显示方式的选择方案一、采用LED数码管显示。
使用数码管动态显示，由于显示的内容较少，给人的视觉冲击不怎么的舒适，具有亮度高、工作电压低功耗小、易于集成、驱动简单等优点。
但在此次设计中需要设定的参数种类多，使用LED数码管不能完成设计任务，不宜采用。
方案二、采用字符型LCD显示。
可以显示英文及数字，利用程序去驱动液晶显示模块，设计简单，且界面美观舒适，耗电小。
综上所述，选择方案二，用字符型LCD进行显示。
4.帆板的设计方案论证与选择方案一、采用电路板作为帆板。
根据设计需要的要求，电路板需做成宽：10cm，长：15cm；在所拥有的风扇下采取电路板作为帆板，很难满足设计所需达到的角度。
考虑风力的大小和自身重力，不宜采用。
方案二、采用泡沫作为帆板。
泡沫的体积太轻，很容易满足设计所需要的角度，缺点：泡沫的稳定性不高，干扰成分太多。
考虑不稳定性的因素太多此方案不宜采用。
方案三、采用铝板作为帆板。
经过多次实验：铝板可以作为帆板使用，能过达到设计所需要的要求，而且铝板的稳定性比较好，抗干扰能力强，受干扰的成分比较小。
综上所述，选择方案三，用铝板作为帆板使用。
1.2.3 系统的组成经过方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图1.1.1所示。
其中的集成电路ATMEGA328单片机驱动液晶显示模块、控制电机驱动改变风扇风力的大小从而改变帆板的角度，角度传感器把接收到的输出信号传送给ATMEGA328单片机进行处理再更新显示。
图1.1.1 系统组成框图PID算法：由于单片机的处理速度和RAM资源的限制，一般不采用浮点数运算，而将所有参数全部用整数，运算到最后再除以一个2的N次方数据（相当于移位），作类似定点数运算，可大大提高运算速度，根据控制精度的不同要求，当精度要求很高时，注意保留移位引起的“余数”，做好余数补偿。
遇限消弱积分：一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。
具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项积分分离法：在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。
特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。
为此可以采用积分分离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。
离散化公式：Δu(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2)当|e(t)|≤β时q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T)q1 = -Kp(1+2Td/T)q2 = Kp Td /T当|e(t)|＞β时q0 = Kp(1+Td/T)q1 = -Kp(1+2Td/T)q2 = Kp Td /Tu(t) = u(t-1) + Δu(t)微分控制对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，Ｔｄ偏大时，超调量较大，调节时间较短。
Ｔｄ偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。