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大三下自动控制下实验报告3。
实验三 直升机垂直升降控制系统设计
一、实验设备与软件
1.硬件设备：计算机，NI ElvisⅡ实验平台，直升机垂直升降模拟系统一套。 2.软件系统：Win7 系统，Labview2015 开发软件。
- 直升机垂直升降系统接口
| 序号 | 信号 | 作用 |
|---|---|---|
| 1 | +12V | +12V 电源 |
| 2 | +5V | +5V 电源 |
| 3 | GND | 地线 |
| 4 | AIN0 | 0 号模拟量检测端子，霍尔传感器电路输出检测端子。 |
| 5 | AIN1 | 1 号模拟量检测端子，霍尔传感器电路接地端。 |
| 6 | AIN2 | 2 号模拟量检测端子，螺旋桨电机电压检测端子。 |
| 7 | AIN3 | 3 号模拟量检测端子，螺旋桨电机电压检测端子。 |
| 8 | DA-OUT0 | 模拟量控制信号端子，螺旋桨电机电压控制端子。 |
| 9 | AGND | 模拟地线 |
2）SS49E 系列霍尔效应线性位置传感器
型号：SS49E
供电电源：2.2~6.5Vdc
电流：10 mA
工作温度：-40℃~100℃
SS49E 和 SS59ET 系列经济型线性霍尔效应传感器，为小型、通用、线性、霍尔效应传感器装置，它的运行依靠永久磁铁或电磁铁的磁场。线性电流源输出电压由供电电压设定，并随磁场强度成比例地变化。
此集成电路具有低噪声输出的特点，致使不再需要采用外部滤波。它还包括有薄膜式电阻，能提高温度的稳定性和准确性。这些线性霍尔效应传感器的工作温度范围为-40℃至 100℃（-40°F 至 212°F ），适用于各种商业、用户和工业环境条件。
SS49E/SS59ET 系列系列霍尔效应线性位置传感器优势特点：
微型设计
5Vdc 能效时的功耗为 6mA
单一电流源输出
线性输出，使电路设计灵活多样
低噪声输出，实际上排除了对滤波的需求
薄膜式电阻，使输出稳定而精确
温度范围在-40℃至 100℃（-40°F 至 212°F）
在正或负高斯都能响应
SS49E/SS59ET 系列霍尔效应线性位置传感器应用范围：电流传感，电动机控制，位置传感，磁码读数，旋转编码器，铁金属探测器，振动传感，液位传感，重量传感。
3）螺旋桨性能参数
额定电压：12V
电流：0.17A
功率：2.14W
额定转速：10000rpm
最大气流：0.322CMM，11.4CFM
（风量单位有 CMM（立方米每分）、 CMH（立方米每时）、 CFM（立方英尺每分）、 LM（升每分钟）， 1CMM=60CMH=35.245CFM=1000LM。）
最大风压：0.332inAq，8.432mmAq（inAq 是英寸水柱，mmAq 毫米水柱，,1inAq=249Pa,1mmAq=9.8Pa。)
噪音水平：39.1dB/A（噪声在测量的时候其频率计权一般有 A、C、E、L 四种形式, 一般来说通常噪声监测的计权方式是 A 计权。)
二、实验任务
1）设计界面标注控制系统名称 ，注明：“专业+学号+姓名”。
2）基于 NI Elvis Ⅱ开发平台，应用 Labview2015 软件编程，设计完成根据指定直升机状态，实时监测控制直升机的升降状态。显示实时监控数据与曲线， 横坐标为时间单位秒，纵坐标为距离。实时 PID 参数设置与整定，调试出稳定的直升机升降监控系统，保存记录几组 PID 参数整定下的控制曲线图对比比例、积分、微分作用。
3）设计实现 PID 自动控制与手动控制的自由切换。
4）设计程序启动与结束等按钮功能，满足停止按钮释放所有缓存。
三、LabVIEW 设计过程及说明
基本编程思想是通过读取模拟直升机平台上的霍尔元件数值，计算出模拟直升机的位置高低，再通过 PID 参数计算出此时位置所对应的供给直升机的电压值，从而实现直升机平台的升降。 首先需要测量霍尔元件数值变化范围。利用上学期所给例程，我们得知最低值为 2.5，最高值为 4。我们将在这个范围内进行位置设定。
在具体编程过程中，我们首先应确定程序的输入和输出，程序输入应对应霍尔元件的数值和给定的直升机电压数值，对霍尔元件数值采样后将其和给定电压值一起接入 PID 控制器的输入端，通过给定 PID 参数计算出此时对应的输出电压值，将其输出到直升机处，最终实验直升机的自动稳定控制。为了增强系统的稳定性，我们设定了 PID 输出的阈值（经测试为 4-12V）。完成了实际功能后，我们增加了程序的显示部分，能够更加直观的将实际位置和设定位置显示在程序中，便于我们观察和控制。
在完成了自动控制后，我们在程序中增加手动控制部分，即手动设置直升机的电压，通过假如一个按钮，实验逻辑判断，若为真，则执行上图中自动部分， 若为假，则进行手动调节。为了更好的手动控制电压，我们在显示部分中增加了旋钮来控制电压。
图1 LabVIEW 程序框图
四、实验结果与分析
1.手动控制模式
调节PID控制参数Kc=1.5, Ti=0.035, Td=0.004，改变设定值，观察电压的变化。
图2 Kc=1.5, Ti=0.035,Td=0.004霍尔电压上升时变化曲线
图3 Kc=1.5, Ti=0.035, Td=0.004霍尔电压下降时变化曲线
2.自动模式
1)调节比例参数 Kc
（a）Kc=0.5
（b）Kc=2.5
图 4 不同 Kc 下的霍尔传感器示数曲线
分析： Kc 过大会引起系统震荡，Kc 过小会使得调节时间变长。
2)调节积分参数 Ti
（a）Ti=0.015
（b）Ti=0.070
图 5 不同Ti 下的霍尔传感器示数曲线
分析： Ti 减小会使得调节时间变长，超调量增加。
3)调节微分参数 Td
（a）Td=0.001
（b）Td=0.020
图 6 不同Td 下的霍尔传感器示数曲线
分析：Td 增大会略微减小超调量，但过大的 Td 会使得系统矫枉过正而变得不稳定。
五、实验结果讨论
本次实验是通过PID控制器实现直升机姿态控制系统设计，改变PID控制器参数会对调节时间、超调量和稳态误差造成影响。其中Kc 过大会引起系统震荡，Kc 过小会使得调节时间变长；Ti 减小会使得调节时间变长，超调量增加；Td 增大会略微减小超调量，但过大的 Td 会使得系统矫枉过正而变得不稳定。通过对以上参数分析，我们得到了性能较好的一组参数为 Kc=1.500，、Ti=0.035、Td=0.004，该参数下调节时间较短，超调量较少，系统较稳定。
