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

Abstract

This 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。小球的位置检测

既可以采用超声测距又可以采用红外对管，超声测距结构简单稳定

性高；红外对管结构相对复杂，但在一定情况下精度却比超声测距

高。下面我们就测距模块的选型和风机控制算法选择进行简要的分

析和对比。

测距模块选型：

方案一：超声模块测距法

采用安装在顶部的超声测距模块来直接获取小球的相对位置。很明显，此方案最大

的优点就是结构简单，使得整个系统更加稳定。

但是由于超声模块的探测距离S≧2cm,但题中所规定的精度必须在

2cm的范围内，故不采用此方案。

方案二：多重红外对管相对测距

采用多个对管分别安装在风洞一侧，当小球经过不同的对管时即代表小球所达到的高

度，因为红外对管在风洞上的位置是固定的，所

以我们采用了定点检测的方法，即在 A,D 点各安装一对管，在 BC 段通过 6 对管来将 10cm 的距离 5 等份，使得在 BC 段各个相邻对管之间的距离小于 2cm。从而保证了小球的精度误差处于合理范围。

经系统分析与比较论证，我们采用精度高、误差小、性价比好的第二种方案，即：

多重红外对管相对测距方案。

风机控制算法选择：

方案一：模糊控制

模糊逻辑控制简称模糊控制 (Fuzzy Control) ，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

模糊控制实质上是一种非线性控制智能控制技术，它能简化系统设计的复杂性，且不

依赖于被控对象的精确数学模型；它利用控制法则来描述系统变量间的关系；不用数

值而用语言式的模糊变量来描述系统，使得模糊控制器不必对被控制对象建立完整的

数学模式。

但是模糊控制尚处于研究阶段，如何获得模糊规则及隶属函数，完全凭经验进行；

对信息简单的模糊处理将会导致系统的控制精度的降低和动态品质变差。若要提高精度就

必然增加量化级数，导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能进行实时控制；

方案二： PID 控制

PID 控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然

是应用最广泛的工业控制器，它以其结构简单、稳定性好、工作可

靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构

和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其

它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场

调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了

解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参

数时，最适合用PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出

控制量进行控制的。

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 ]

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。

经系统分析与比较论证，风机的控制算法我们采用采用数学模型

已知，参数调校方便，实时性高的方案二——PID 控制算法。