西安交通大学自动控制原理专题实验Ⅱ第三次实验报告
西安交通大学实验报告
实 验 日 期：
第 1 页（共 7 页） 2019年 3 月20日
交报告日期： 2019 年 3 月30日 实 验 地 点： 西一楼303 课程： 自动控制理论专题实验Ⅱ
实验指导老师：
景 洲
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 Elvis Ⅱ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
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。
图1 直升机垂直升降控制系统连线
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2 LabVIEW程序框图
四、实验结果与分析
1.手动控制模式
在手动控制模式下，由图3可以看到，霍尔传感器随旋钮电压值变化良好。
图3 手动控制模式下霍尔传感器示数曲线
2.自动控制模式
1)调节比例参数Kc
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
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
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
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=1.000、Ti=0.020、Td=0.004，该参数下调节时间较短，超调量较少，系统较稳定。
图7 性能较好的参数的霍尔传感器示数曲线