简易旋转倒立摆及控制装置
2013年全国大学生电子设计竞赛
简易旋转倒立摆及控制装置（C题）
【本科组】
2013年9月7日
简易旋转倒立摆及控制装置（C题）
摘要
本设计根据选题要求搭建制作一台简易平面圆周倒立摆控制装置，系统基本功能要实现：摆杆的正负60°以上大角度摆动、摆杆圆周运动以及摆杆倒立自平衡等功能。基于这些要求，经过队员讨论并依据现有条件，决定分别采用双向编码器和陀螺仪-加速度计模块来分别测量旋转臂转角和摆杆摆角，使用直流减速电机控制旋转臂动作，以此搭建系统硬件结构。控制方案采用两个PID控制器分别控制旋转臂转角和摆杆摆角，通过对PID参数的整定来实现对摆杆姿态的控制。另外，为了系统调试方便，还设计了液晶显示+键盘的辅助调试模块，借助该模块可实现实时显示摆杆摆角及摆臂旋转角度，PID参数修订，摆杆动作切换等附加功能。
关键字：旋转倒立摆PID控制陀螺仪-加速度计
目录
1系统方案................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1 任务及要求 (1)
1.2 系统结构 (2)
1.3 方案比较与选择 (2)
2系统理论分析与计算 (4)
2.1 电机选型 (4)
2.2 摆杆状态检测 (4)
2.3 驱动与控制算法 (5)
3电路与程序设计 (6)
3.1电路设计 (7)
3.1.1 系统总体框图 (7)
3.1.2 电动机驱动模块子系统电路原理图 (8)
3.1.3 电源模块电路原理图 (8)
3.2程序设计 (9)
3.2.1 程序功能描述与设计思路 (9)
3.2.2 程序流程图 (9)
4系统测试 (13)
4.1 测试条件与仪器 (13)
4.2 测试方法与结果分析 (14)
附录1：电路原理图 (16)
简易倒立摆及控制装置【C题】
【本科组】
1系统设计要求与设计方案
1.1任务及要求
设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。
1．基本要求
（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°；
（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；
（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间，旋转臂的转动角度不大于90°。
2．发挥部分
（1）从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于10s；
（2）在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内恢复倒立状态；
（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过360°；
（4）其他。
1.2系统结构
根据题目要求，系统可分为摆杆与悬臂模块、支架模块、电机与驱动模块、传感器采集模块、单片机控制模块、电源模块等六部分。通过传感器测量旋转臂角度信息和摆杆角度信息，单片机通过一定的控制算法驱动电机转动，带动悬臂及摆杆运动，达到控制摆杆完成题目要求的各项动作。
图2 系统结构总图
以下是我们的具体设计方案。摆杆与支架的连接可以通过电机带动减速齿轮机构进行连接，这样可以增大电机转动时的力矩，使得摆杆对悬臂动作的响应加快，提高控制性能。另一方面，对于摆杆我们选择了轻质铝合金，这样可以减小摆杆惯性，加快系统动态响应。对于控制量的检测，我们准备选取两个可以测量角度的传感器，其一用于检测旋转臂转角及其角速度，通过一定的控制方法将旋转臂转角控制在一定的范围内，而另一个角度传感器固定于旋转附近，测量摆杆的角度信息，从而控制摆杆的平衡。摆杆通过轴承与旋转臂相连，这样既可以使用编码器测量摆杆的角度、角速度等参数，同时又能保证摆杆自由灵活地旋转。另外，我们还需要搭建一个稳定的底座来固定系统，减少系统的振动，搭建一个支架，用于解决摆杆、旋转臂圆周运动时的绕线问题。
1.3方案比较与选择
主控芯片方案的选择：
方案1：采用STC15系列8051内核单片机。这种单片机操作简单，同时处理速度远快于传统51单片机，内部数据与程序存储空间较大，AD、PWM等各种外设齐全，基本可以满足要求。另一方面，其I/O接口有限，同时处理速度相对较慢，中断系统不是非常稳定。
方案2：采用飞思卡尔K60单片机作为主控芯片。其工作电压较低，频率可达200MHz，系统稳定，外设功能丰富，I/O接口数可以满足设计要求。同时，参赛成员对其具有一定的使用经验。
综上所述，我们采用飞思卡尔K60作为主控芯片。
电动机的选择：
方案1：使用伺服电机。伺服电机响应速度快，线性度好，非常适宜此类问题，由于条件所限，放弃此种方案。
方案2：使用直流减速电机作为控制电机。直流电机控制方便，使用单片机的PWM 接口配合电机驱动即可方便控制。由于直流电机转速很大，所以负载工作时需要配合减速器一起使用。减速器可以降低电机转速，增大力矩，方便控制。同时，这种电机也较为常见，成本较低。
方案3：采用步进电机。步进电机控制精确，可以方便地控制电机的转角，非常适合精准的控制应用场合。但是步进电机的扭矩较小，同时如果高速运行还可能产生振动，这样反而不利于进行控制。
综上，我们选择了直流减速电机。
角度测量方案的选择：
方案1：采用专用角度传感器。这种传感器可以将角度量转换为电平值，我们可以直接从AD中读取角度值，非常便于角度测定。但是由于实验室条件限制，无法采取此种方式。
方案2：旋转臂与电机连接处使用双向编码器，摆杆与转轴之间也采用双向编码器。这样，通过读取单片机的计数模块再经过简单的正负判断处理就可以很容易测得两转轴处的角度变化。但是我们使用的编码器只有500线。在实际应用中，我们发现摆杆转轴处角度的检测精度无法满足摆杆的控制要求。综合考虑实验室现有条件，我们设计了方案3。
方案3：旋转臂与电机连接处使用双向编码器，摆杆上固定陀螺仪-加速度计模块，陀螺仪可以直接测得角速度，而其对时间的积分即为当前偏离角度。由于陀螺仪在运行过程中容易受到温度的影响，使得积分值变得不准确，所以需要引入加速度计的值来对陀螺仪积分产生的角度进行纠正。通过陀螺仪角速度的积分值与加速度计互补融合，配置合理的参数，即可测得反应当前角度的量。这样，就可以比较精确地检测出摆杆当前的角度了。
2系统理论分析与计算
2.1 电动机选型
由于条件限制，在没有伺服电机的情况下，我们使用了带减速齿轮的RS385S直流电机。相比伺服电机，直流减速电机定位性能稍差。RS385S直流电机负载转速为15000rpm±10%，可以较快地响应控制。其负载电流为3.9A，两片BTN7971B搭成的H 桥驱动模块可以满足其电流需求，同时实验中我们发现如果堵转，电流增大，驱动芯片电路也可以自动断电，使电机得到保护。另外，RS385S直流电机带减速器后力矩很大，可以快速带动一定质量的负载，使得系统的响应速度可以满足要求。
2.2 摆杆状态检测
摆杆状态检测我们采用了加速度计与陀螺仪配合的方式进行测量。我们在摆杆上固定陀螺仪-加速度计模块，陀螺仪可以直接测出角速度，也就是说我们可以通过对陀螺仪速度的累加而感知摆杆角度的变化情况。但是陀螺仪在累加过程中累积值会受温度影响而变化，这就需要我们使用加速度计进行校正，即在陀螺仪积分的过程中定期与加速度计测量值进行比较，不断纠正陀螺仪数据的飘移。对于加速度计来说，它的值不够平滑，所以不能准确反映当前角度值，但是加速计值不会产生较大的飘移。两者融合我们采用了较为简单的互补滤波，从而得到摆杆角度变化信息。同时我们知道角速度就是角度的微分，这样，在求对摆杆控制的PID运算的微分值时，我们可以直接使用陀螺仪采集回来的摆杆的角速度值。实验中我们发现这种方式可以比较灵敏而准确地反应摆杆角度信息。
图3 陀螺仪-加速度计测角度方法
2.3驱动与控制算法
根据所学经典控制理论与现代控制理论方面的知识，我们选定了两种基本控制方案。
方案1：采用PID控制方案。经典控制理论的研究对象主要是单输入单输出的系统，控制器设计时一般需要有关被控对象的较精确模型。PID控制器因其结构简单，容易调节，且不需要对系统建立精确的模型，在实际控制中应用较广。在控制理论和技术高速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。
实现算法时，我们可以测量摆杆的偏角，将其信息反馈给微处理器，通过PID算法校正消除输出与给定值的偏差，实现对摆杆运动的控制。另外，由于PID是单输入单输出系统，所以只能控制摆杆平衡而无法控制旋转臂的旋转角度，这样摆杆在运动时会出现一直向一个方向转动的情况，所以我们还需要设计一个旋转臂角度控制闭环和旋转角速度闭环，这样我们就可以控制摆杆定位和匀速运动。
方案2：采用状态空间极点配置控制方案。经典控制理论的研究对象是单输入单输出系统，需要较为精确的数学模型，而现代控制理论则是将经典控制理论扩展到多输入、多输出系统。通过状态反馈可以改变闭环系统的极点，而极点位置与系统性能密切相关。极点配置法通过状态反馈控制器将多变量系统的极点配置到我们所期望的位置上，使系统满足稳态和瞬态要求。以下是我们根据直线倒立摆的状态反馈推测出的圆形平面倒立摆的极点配置原理图。
图4 推测平面圆形倒立摆极点配置图 综合考虑对于算法的熟悉程度以及现有条件下控制模型无法精确建立，我们使用了PID 控制方案。 在模拟系统中，PID 算法表达式为：
]
)
()(11)([)(dt t de Td dt t e T t e Kp t P ?++=
在数字系统中，我们需要将PID 离散化，PID 算法离散化表达式如下：
∑=--++=k
j k E k E Kd j E Ki k KpE k P 0
)]
1()([)()()(
这样我们就可以将连续的PID 公式转化为差分方程，从而方便地用程序实现算法。 在这里我们使用了位置式PID 。
图5 PID 控制方法示意框图
在设计完控制程序后，我们首先将旋转臂开环，整定旋转臂的PID 参数，即上式中Kp 、Ki 、Kd 。然后再将旋转臂闭环，整定整体参数。由于积分对系统有滞后的作用，会影响到摆杆的稳定，所以在整定参数时需要尽可减少积分系数。微分具有超前的作用，适量加入微分量可以减小震荡，加快跟随。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
电路部分主要分为核心控制板，驱动模块和电源模块几部分。
其中核心控制板使用K60芯片，外接按键，拨码开关，传感器等设备。电源模块采用TPS7350作为稳压芯片，将7,.2V的电源转换为5V用于控制板供电。同时由于主控芯片和部分设备要求3.3V供电，我们使用了ASM1117作为电压转换芯片。另外我们还设计了电池电量检测模块，使用运放作为比较器来检测电压值，这样当电池电量不足时即可及时更换，这对调节控制参数非常有用（实验发现电量的不同常常会影响参数的选择）。
我们可以通过液晶显示器的提示，使用按键控制倒立摆的运动方式和传感器参数。关于角度传感器，由于可能采用不同的传感器，我们引出了计数器和AD转换接口。这样，如果使用编码器就可以用计数器进行测量，如果使用陀螺仪-加速度计或者角度传感器，则可以切换到AD接口。最后为了方便调试，我们将单片机的串行通信接口引出，利用无线串口与上位机直接通信，大大提高了调试效率。
3.1.1电路总体框图
图6 电路总体框图
3.1.2电机驱动模块子系统电路原理图
图7 电机驱动模块子电路原理示意图
电机驱动模块采用BTN7971B芯片。两片BTN7971B芯片搭成H桥电路，这样只需通过两路PWM就可控制电机的转速。同时，电路还可以提供较大的驱动电流，可以方便地驱动直流减速电机。
3.1.3电源模块电路原理图
图8 电源稳压模块子系统电路图
7.2V电压转换为5V，用于核心板供电。
图9 3.3V稳压模块子系统电路图
用于给K60芯片供电的3.3V稳压电路。
图10电压检测模块子系统电路图
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
在主函数中初始化硬件和变量参数，进入大循环。程序每隔1ms进一次中断，分别作数据采集，数据处理及电机控制。键盘扫描和调试信息在主循环中，可以选择倒立摆动作和修改PID参数。
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
关中断
硬件初始
化
变量初始
化
开总中断
按键检测
读取拨码
开关
液晶显示
发送调试
信息
图11 主程序流程图2、中断服务子程序流程图
计算当前旋转臂位置控制量
时间片1时间片2时间片3时间片4YES
YES
NO NO NO
进入定时中断
采集编码器
检查标志位
采集陀螺仪
计算当前摆杆控制量
时间片5
计算当前旋转臂速度控制量YES
控制量PWM 输出
YES
时间片累加NO 中断返回
时间片清零
图12 1ms 定时中断中断函数流程图
3、摆杆控制PID 子程序流程图
给定角度
采集陀螺仪
值
采集加速度计值
融合角度
求偏差PID 控制输出PWM
读取AD
图13 摆杆PID 控制算法流程图
读取当前编码器位置量当前位置与给定
作差得E（k）
比例
Pp(k)=KpE(k)
积分
Pi(k)=KiE(k)+Pi(k-1)
微分
Pd(k)=Kd[E(k)+E(k-1)] P(k)=Pp(k)+Pi(k)+Pd(k)
转换成电机给定量
PWM输出
图14 摆角位置控制PID算法流程图
4系统测试
4.1 测试条件与仪器
测试条件：硬件电路和机械构造已经成型。
测试仪器：量角器，无线串口，计算机，5g砝码。
4.2 测试结果及分析
测量摆角
时间/s2 4 6 8 10 12 14 16 摆臂/度1030 40 45 60 80 90 80 时间/s18 20 22 24 26 28 30 32 摆臂/度120 130 150 70 90 90 80 90
圆周运动
时间/s 4 8 12 16 20 24 28 32
摆臂/度30 60 150 完成圆周运动
由165度直立
时间/s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 摆臂/度±30 ±30 ±30 ±30 ±25 ±25 ±25 ±15 ±15
摆杆/度180±
10
180±5 180±3 180 180 180 180 180180
时间/s10 11 12 13 14 15 16 17 18 摆臂/度±15 ±10 ±10 ±10 ±10 ±5 平衡点平衡点平衡点摆杆/度180 180 180 180 180 180 180 180180
砝码干扰
时间/s0 2 4 6 8 10 12 14 16 摆臂/度±30 ±10 ±5 ±5 ±5 ±5 ±5 ±5 ±5
摆杆/度180±
15
180±5 180 180 180 180 180 180180
360度旋转
圈数 1 2 3 4 5 ...
摆杆/度180 180 180 180 180 ... 直到数据线缠绕
自起摆：偶尔成功
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，本倒立摆可以在规定时间内完成正负60度以上范围的摆动及圆周运动。可以稳定直立，做定角度旋转和匀速圆周运动，可以轻松做到旋转臂旋转360度同时保持摆杆直立。与此同时，本倒立摆抗扰动能力较强，可以较快恢复直立状态，旋转臂的控制也较为精确。基本完成了题目所要求的功能。
另一方面，有时摆杆会出现快速小振幅抖动，这和摆杆轴部过于宽松，电机齿轮固定方式等都有很大的关系，主要是机械结构的设计和加工方面缺乏经验所致。自起摆功能不稳定，由于采用了加速度-计陀螺仪方式采集摆杆角度信息，传感器的固定使得摆杆重心难以确定，自起功能受到限制，如果采用高精度编码器或角度传感器则可以避免在摆杆上固定传感器，从而比较容易地完成功能。
参考文献：
[1] 潘新民王燕芳，《微型计算机控制技术（第二版）》，北京：电子工业出版社，2011.
[2] 胡寿松，《自动控制原理（第五版）》，北京：科学出版社，2012.
[3] 张凤众，基于80C51单片机的圆形倒立摆系统设计，硕士论文，2005.
[4] 王宜怀吴瑾蒋银珍，《嵌入式系统原理与实践—ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器》，北京：电子工业出版社.
附录1：电路原理图
全国电子设计大赛旋转倒立摆
全国电子设计大赛旋转倒 立摆 Prepared on 22 November 2020
目录 摘要 本设计综合考虑基础部分和发挥部分要点，采用mega128a为主控芯片，BTS7960驱动电机并在程序中涉及到pid算法对电机进行调控，在设计中，我们采用1000线编码器为角度传感器。在该简单控制装置中，我们实现了摆动，圆周运动和短时间的自动控制下的倒立。 关键字：倒立摆，mega128a，编码器 第一章系统方案比较与选择
总实现方案 方案一：用陀螺仪和加速度计通过卡尔曼数据融合得到角度，用此处的角度为载体用单片机进行数据处理，并调整电机。 方案二：用电位器做角度传感，通过单片机自带ADC来读取电位数值以此为依据来判断角度，并调整电机。 方案三：用编码器做角度传感器，通过读取编码器的输出脉冲来计算角度传感器的输出角度，用此角度做处理调整电机。 通过对两个方案的对比选择，方案一中的加速度计和陀螺仪算法实现复杂，我们在融入卡尔曼滤波后有明显滤波效果，但是由于圆周运动，会使得各个方向轴返回的数据出错，且波动大，会减弱卡尔曼的滤波效果，对于pid的精准调整还是远远达不到预期。在方案二中，考虑到电位器内部结构问题，虽然理论上电位器在转动过程中是线性的，但是考虑到每次停靠的电阻位可能会产生误差，最后考虑到我们最终选定的单片机ADC只有10位，在方案三中，由于实现编码器的功能实现方便简单，并能更多的趋近于精确值，因此最后我们采用了方案三。 主控制器方案比较与选择 为了完成在短时间快速采集并计算角度，主控器件必须有较高的CPU工作频率和存储空间。 方案一：采用51系列加强型STC12C5A60S2作为主控器件，用来实现题目所要求的各种功能。此方案最大的特点是系统规模可以做得很小，成本较低。操作控制简单。但是，我们在利用单片机处理高速信号快速扫描及电机控制时显得吃力， 51系列单片机很难实现这一要求。
本科毕业设计任务书：旋转单级倒立摆系统建模与实物控制
系 信控 系 主 任 批准日期 2015-3-6 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 信息与控制工程 系 自动化 专业 ×× 班 学生 ×× 一、毕业设计(论文)课题 旋转单级倒立摆系统建模与实物控制 二、毕业设计(论文)工作自 2015 年 3 月 2 日起至 2015 年 6 月 28 日止 三、毕业设计(论文)进行地点 学科2号楼801实验室 四、毕业设计(论文)的内容要求 1、 设计目的 倒立摆系统自身是一个典型的绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统。许多抽象的控制理论概念如系统的可控性、稳定性、系统的抗干扰能力和系统的快速性等，都可以由倒立摆系统直观地展示出来。近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。因此倒立摆系统是一个研究和验证先进控制算法性能的一个优秀平台。 目前国内外关于倒立摆的研究大都集中在直线型倒立摆系统，旋转倒立摆的研究较少。本次毕业设计以加拿大QUANSER 公司的旋转单级倒立摆为研究对象，采用机理建模法建立其动力学模型，在此基础上分析该倒立摆系统的性能，并设计控制器实现平衡控制且动态性能满足%16.3%,3s t s σ≤≤。 通过此次毕业设计使学生具备如下能力：①通过毕业设计，熟悉和掌握建立实际物理系统模型的能力；②利用经典控制理论和现代控制理论对控制系统进行系统性能分析和控制器设计的能力；③利用MATLAB /SIMULINK 实现控制系统
建模、仿真、实物控制并对实验结果进行分析的能力。④查阅相关中英文文献， 了解典型运动控制对象-旋转倒立摆控制技术的前沿发展动态； 2、设计要求 （1）建立所用的旋转单级倒立摆系统的数学模型并分析系统的性能。 （2）根据给定的性能指标，分别设计满足要求的LQR 控制器和变结构控制器，在MATLAB 环境下实现上述两种控制算法。 （3）以加拿大QUANSER 公司的旋转单级倒立摆为对象，采用上述两种控制算法实现对旋转单级倒立摆实物系统的平衡控制且动态性能满足 %16.3%,3s t s σ≤≤。 3、设计步骤 1）查阅文献，熟悉和了解倒立摆系统，尤其是旋转单级倒立摆系统平衡控制的研 究背景和意义，翻译3000~5000词英文文献，写出高质量开题报告； 2）学习机理建模的基本步骤并利用拉格朗日方法建立所用的旋转单级倒立摆的状 态空间模型和传递函数模型。 3）分析系统性能，包括稳定性、可控性和开环响应特性。 4）学习LQR 控制器的基本原理，根据给定的性能指标，设计满足要求的旋转单级倒立摆LQR 控制器并在MATLAB 环境下实现该控制算法； 5）学习滑模变结构控制原理，根据给定的性能指标，设计满足要求的旋转单级倒立比例切换控制率的滑模变结构控制器，并在MATLAB 环境下实现该控制算法； 6）分析控制器中参数的选取对控制性能的影响以及上述两种控制算法的优缺点； 7）熟悉QUANSER 公司的旋转单级倒立摆控制系统实时软件，采用上述两种控制算法实现对旋转单级倒立摆实物系统的平衡控制且满足%16.3%,3s t s σ≤≤。 8）分析实验结果并撰写毕业论文； 4、 毕业设计条件 1)信控系机房为每个学生提供150个上机机时。 2)指导老师尽量提供设计需要的参考资料，提供学生必要的资料打印和复印费用。 5、撰写合格或高质量的毕业设计论文，具体要求为
2013大学生电子设计大赛简易旋转倒立摆及控制装置(C题 )
2013年全国大学生电子设计竞赛试题 参赛注意事项 （1）9月4日8:00竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职高 专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。 （2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。 （3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份 的有效证件（如学生证）随时备查。 （4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。 （5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制 作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。 （6）9月7日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。 简易旋转倒立摆及控制装置（C 题 ） 【本科组】 一、任务 设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机A 固定在支架B 上，通过转轴F 驱动旋转臂C 旋转。摆杆E 通过转轴D 固定在旋转臂C 的一端，当旋转臂C 在电动机A 驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E 在垂直于旋转臂C 的平面作自由旋转。 二、要求 1．基本要求 （1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）开始，驱动电机带动旋转臂作 往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°； （2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成 圆周运动； （3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力 撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s ；期间旋转臂的转动角度不大于90°。 图1 旋转倒立摆结构示意图
单级旋转倒立摆系统
《现代控制理论》课程综合设计 单级旋转倒立摆系统 1 引言 单级旋转倒立摆系统一种广泛应用的物理模型，其物理模型如下：图示为单级旋转倒立摆系统原理图。其中摆的长度1l =1m ，质量1m =0.1kg ，横杆的长度2l =1 m ，质量2m =0.1kg ，重力加速度20.98/g m s =。以在水平方向对横杆施加的力矩M 为输入，横杆相对参考系产生的角位移1θ为输出。控制的目的是当横杆在水平方向上旋转时，将倒立摆保持在垂直位置上。 图1 单级旋转倒立摆系统模型 单级旋转倒立摆可以在平行于纸面3600的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的推动下，摆杆仍然保持竖直向上状态。在横杆静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆微小的扰动下，就会使倒立摆的平衡无法复位，这时必须使横杆在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，故单级倒立摆系统是一个非线性系统。 本文综合设计以以在水平方向对横杆施加的力矩M 为输入，横杆相对参考系产生的角位移1θ为输出，建立状态空间模型，在原有系统上中综合带状态观测器状态反馈系统，从而实现当横杆在旋转运动时，将倒立摆保持在垂直位置上。 2 模型建立 本文将横杆和摆杆分别进行受力分析，定义以下物理量：本文将横杆和摆杆
分别进行受力分析，定义以下物理量：M 为加在横杆上的力矩；1m 为摆杆质量； 1l 为摆杆长度；1I 为摆杆的转动惯量；2m 为横杆的质量；2l 为横杆的长度；2I 为横杆的转动惯量；1θ为横杆在力矩作用下转动的角度；2θ为摆杆与垂直方向的夹角；N 和H 分别为摆杆与横杆之间相互作用力的水平和垂直方向的分量。倒立摆模型受力分析如图2所示。 图2 倒立摆模型受力分析 摆杆水平方向受力平衡方程： 2 111222(0sin )2 l d N m l dt θθ=++ （1θ2l —横杆的转动弧长即位移） 摆杆垂直方向受力平衡方程： 211 1122(cos )22 l l d H m g m dt θ-=- 摆杆转矩平衡方程： 22111222sin cos 22 d l l J H N dt θθθ=- 横杆转矩平衡方程： 21 222 d M Nl J dt θ-= N
单级倒立摆系统的分析与设计
单级倒立摆系统的分析与设计 小组成员：武锦张东瀛杨姣 李邦志胡友辉 一．倒立摆系统简介 倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其研究具有重大的理论和实践意义。由于倒立摆系统本身所具有的上述特点，使它成为人们深入学习、研究和证实各种控制理论有效性的实验系统。 单级倒立摆系统（Simple Inverted Pendulum System）是一种广泛应用的物理模型，其结构和飞机着陆、火箭飞行及机器人的关节运动等有很多相似之处，因而对倒立摆系统平衡的控制方法在航空及机器人等领域有着广泛的用途，倒立摆控制理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器入技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。 倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。最初研究开始于二十世纪50年代，单级倒立摆可以看作是一个火箭模型，相比之下二阶倒立摆就复杂得多。1972年，Sturgen等采用线性模拟电路实现了对二级倒立摆的控制。目前，一级倒立摆控制的仿真或实物系统已广泛用于教学。 二．系统建模 1．单级倒立摆系统的物理模型 图1：单级倒立摆系统的物理模型
单级倒立摆系统是如下的物理模型：在惯性参考系下的光滑水平平面上，放置一个可以在平行于纸面方向左右自由移动的小车（cart ），一根刚性的摆杆（pendulum leg ）通过其末端的一个不计摩擦的固定连接点（flex Joint ）与小车相连构成一个倒立摆。倒立摆和小车共同构成了单级倒立摆系统。倒立摆可以在平行于纸面180°的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的摄动下摆杆仍然保持竖直向上状态。在小车静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆受到微小的摄动时就会发生不可逆转的破坏而使倒立摆无法复位，这时必须使小车在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。依照惯性参考系下的牛顿力学原理，作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，单级倒立摆系统是一个非线性系统。 各个参数的物理意义为： M — 小车的质量 m — 倒立摆的质量 F — 作用到小车上的水平驱动力 L — 倒立摆的长度 x — 小车的位置 θ— 某一时刻摆角 整个倒立摆系统就受到重力、驱动力和摩擦阻力的三个外力的共同作用。这里，驱动力F 是由连接小车的传动装置提供，控制倒立摆的稳定实际上就是依靠控制驱动力F 使小车在水平面上做与倒立摆运动相关的特定运动。为了简化模型以利于仿真，假设小车与导轨以及摆杆与小车铰链之间的摩擦均为0。 2．单级倒立摆系统的数学模型 令小车的水平位移为x ，运动速度为v ，加速度a 。 小车的动能为212kc E Mx =，选择特定的参考平面使得小车的势能为0。 摆杆的长度为L ，某时刻摆角为θ，在摆杆上与固定连接点距离为q （0 简易旋转倒立摆及控制装置（C 题） 参赛队员姓名： 指导教师姓名 参赛队编号： 参赛学校： 简易旋转倒立摆及控制装置（C 题） 摘要：简易旋转倒立摆及控制装置是复杂的高阶闭环控制系统，控制复杂度较高。系统以飞思卡尔MK10DN512ZVLL10单片机为核心，以Mini1024j编码器为角度传感器，配合直流电机组成旋转倒立摆系统，经过充分的系统建模，并考虑单片机运算速度，最终确定采用改进的“模糊PID”控制算法，通过软件控制，可以满足基本部分要求和发挥部分要求。 系统的突出特点在于充分的力学理论分析，通过力学建模和控制系统仿真，获得了大量的定性分析结果，为系统的建立提供了很好的理论依据。 关键字：倒立摆模糊PID 力学建模状态机 一、系统方案 1. 系统方案论证与选择 倒立摆系统是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定的系统。对于该控制系统而言，合适的控制算法、精确的反馈信号、适合的电机驱动等都对系统的稳定性、控制精度及抗干扰性起重要作用。针对上述问题，分别设计多种不同的解决方案，并进行选择论证。 （1）控制算法选择 方案一：采用传统PID控制算法。 传统PID控制算法是运用反馈求和后的误差信号的比例(0阶位置项)、积分(误差累积项)、微分(1阶速度项)进行系统校正的一种控制算法。可用于被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到的精确数学模型的情况，控制器的结构和参数必须依靠经验和反复调试来确定。 方案二：采用模糊PID控制算法 模糊PID控制算法根据PID控制器的三个参数与偏差e和偏差的变化ec之间的模糊关系，在运行时不断检测e及ec，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，让PID参数可自整定。将模糊控制算法与传统PID控制算法巧妙结合，不但具有PID控制算法精度高等优点，又兼有模糊控制灵活、适应性强的优点。 综合考虑选择方案二的模糊PID控制算法。 （2）电动机选型 方案一：选择步进电动机 步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步。虽然控制时序和驱动电路相对复杂，但步进距离很小，保持力矩大，制动能力强。但步进电机速度只在一定范围可调，并且一般步进电机在不旋转时仍有若干相通电，功耗太大。 方案二：选择直流电动机 直流电动机控制简单，利用双极性PWM即可实现调速和正、反转，功率调节范围广、适应性好。直流电机的起动、制动转矩大，易于快速起动、停车，易于控制，且直流电机的调速性能好，调速范围广，易于平滑调节。 综上考虑选择方案二的直流电动机。 （3）传感器的选择 方案一：使用角位移传感器 角位移传感器是一个高精度的电位器，它输出为模拟量。但是在使用角位移传感器时，为得到其与竖直方向(即重力方向)的夹角，要使用重摆，且在角度变化小时，由于传感器自身扭矩，将不会发生角位移，从而得不到采样数据。 方案二：使用主轴编码器 主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮1:1地同步传动。一般是发光二极管发出红外光束，通过动、静两片光栅后，到达光电二极管，接收到脉冲信号，变换成数字量输出。按编码方式不同，分为增量式编码器和绝对编码器。前者输出脉冲，后者输出8421码。绝对值编码器减轻了电子接收设备的计算任务，从而省去了复杂的和昂贵的输入装置，而且，当机器合上电源或电源故障后再接通电源，不需要回到位置参考点，就可利用当前的位置 旋转倒立摆 摘要： 倒立摆的控制是控制理论研究中的一个经典问题，通过旋转式倒立摆控制系统的总体结构和工作原理，硬件系统和软件系统的设计与实现等方面，对系统模型进行动力学分析，建立合适的状态空间方程，通过反馈方法实现倒立控制，通过反复的实验，记录，分析数据，总结出比较稳定可行的控制方法。 本系统采用STC89C52作为主控制芯片，WDJ36-1高精度角位移传感器作为系统状态测试装置，通过ADC0832将采集的模拟电压量转化为数字量，传送给STC89C52进行分析处理，并依此为依据控制电机的运转状态，间接地控制摆杆的运动状态。 通过不断地测量、分析，并调整系统控制的参数，基本达到了题目的要求，并通过此次的练习，进一步熟悉掌握了单片机的应用，对控制系统的了解和兴趣。 关键词：单片机最小系统； WDJ36-1角位移传感器; 旋转倒立摆；状态反馈；稳定性； 目录 1.系统方案 (4) 1.1 微控制器模块 (4) 1.2电机模块 (4) 1.3电机驱动模块 (4) 1.4角度传感器模块 (5) 1.5电源模块 (5) 1.6显示模块 (5) 1.7最终方案 (6) 2.主要硬件电路设计 (6) 2.1电机驱动电路的设计 (6) 2.2角度检测电路的设计： (7) 3.软件实现 (7) 3.1理论分析 (7) 3.2总体流程图 (7) 3.3平衡调节流程图 (9) 4 .系统理论分析及计算.................. . (10) 4.1系统分析 (10) 4.2 摆臂摆角的计算.................. . (10) 5．系统功能测试： (10) 5.1测试方案 (10) 5.2测试结果 (10) 5.3测试分析及结论 (10) 6.结束语 (11) 2011级自动化1班 杨辉云 P111813841 一级倒立摆的模糊控制 一．倒立摆的模型搭建 1. 单级倒立摆系统的数学模型 对于单级倒立摆，如果忽略了空气阻力和各种摩擦阻力之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成沿着光滑导轨运动的小车和通过轴承链接的均质摆杆组成，如图所示，其中小车的质量M=1.40kg ，摆杆质量m=0.08kg ，摆杆质心到转动轴心距离L=0,.2m ，摆杆与垂直向下方向的夹角为，小车华东摩擦系数 f c =0.1。 摆杆 θ 传送带 导轨 直线单级倒立摆 2. 倒立摆控制系统数学模型的建立方法利用PID 控制和拉格朗日方程两种建模。 一级倒立摆系统的拉格朗日方程应为 L （q ，。 .q ）=V （q ，。 q ）—G （q ，。 q ） （1） 式中：L 是拉格朗日算子，V 是系统功能；G 系统势能。 dt d x ??L — x ??L + x ??D = fi （2） 式中：D 是系统耗散能， f c 为系统的第i 个广义坐标上的外力。 一级倒立摆系统的总动能为： V=θθcos x ml ml 3 2)(212 22。。。+++x m M （3） 一级倒立摆系统的势能为： G=θcos mgl θ （4） 一级倒立摆系统的耗散能为： D= 2 2 1 。x f c （5） 一级倒立摆系统的拉格朗日方程为： 0=??+??-??θ θθD L L dt d (6) F X D X L X L dt d =??+??-?? (7) 将（1）到（5）式带入（6）式得到如下： 0sin sin sin cos m 3 422=-+。。。。。。 ——θθθθθθθθmgl x ml x ml x l ml （8） （M+m ）F x ml ml x f c =+ +θθθθsin cos 2。 。 — （9） 一级倒立摆系统有四个变量：。 。，，， θθx x 根据（7）式中的方程写出系统的状态方程，并在平衡点进行线性化处理，得 到系统的状态空间模型如下： =。X ? ?????0 000 0189.000748 .01-- 579.20 386.00 ??????0100+x ? ???? ? ??? ???-8173.007467 .00 《现代控制理论》课程综合设计 令狐文艳 单级旋转倒立摆系统 1 引言 单级旋转倒立摆系统一种广泛应用的物理模型，其物理模型如下：图示为单级旋转倒立摆系统原理图。其中摆的长度l=1m，质量1m=0.1kg ，横杆的长度2l =1 m，质量2m=0.1kg，1 重力加速度2 =。以在水平方向对横杆施加的力矩M为 g m s 0.98/ 输入，横杆相对参考系产生的角位移 θ为输出。控制的目的是 1 当横杆在水平方向上旋转时，将倒立摆保持在垂直位置上。 图1 单级旋转倒立摆系统模型 单级旋转倒立摆可以在平行于纸面3600的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的推动下，摆杆仍然保持竖直向上状态。在横杆静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆微小的扰动下，就会使倒立摆的平衡无法复位，这时必须使横杆在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，故单级倒立摆系统是一个非线性系统。 本文综合设计以以在水平方向对横杆施加的力矩M为输入，横杆相对参考系产生的角位移 θ为输出，建立状态空间模 1 型，在原有系统上中综合带状态观测器状态反馈系统，从而实现当横杆在旋转运动时，将倒立摆保持在垂直位置上。 2 模型建立 本文将横杆和摆杆分别进行受力分析，定义以下物理量：本文将横杆和摆杆分别进行受力分析，定义以下物理量：M为加在横杆上的力矩； m为摆杆质量；1l为摆杆长度；1I为摆杆 1 的转动惯量； m为横杆的质量；2l为横杆的长度；2I为横杆的 2 转动惯量； θ为横杆在力矩作用下转动的角度；2θ为摆杆与垂 1 直方向的夹角；N和H分别为摆杆与横杆之间相互作用力的水 2013年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置(C题) 【本科组】 2013年9月7日 摘要 本题要求设计一个简易旋转倒立摆及控制系统，其中角度传感器、步进电机和单片机890C521是系统核心部件。系统接收角度传感器反馈的信号，通过PCF8591将接收的信号转换成数字信号，将数值送入单片机中进行计算，可得出摆杆的位置，进而单片机控制步进电机,对摆杆进行控制,达到所要的旋转或者倒立的控制目标。 关键词：简易旋转倒立摆步进电机单片机角度传感器 目录 1 设计任务及要求..................................................... 1.1 设计任务.................................................... 1.2 基本要求................................................... 2主控制器件的论证与选择............................................. 2.1控制器选用 .................................................. 2.2控制系统方案选择 ............................................ 2.3角度的获取模块论证与选择 .................................... 2.4步进电机及其驱动模块的选择 .................................. 2.5 AD/DA的选择 ................................................ 3 系统的硬件设计..................................................... 3.1总体电路框图 ................................................ 图3-1 系统框图..................................... 错误!未定义书签。 3.2系统电路与程序设计 .......................................... 3.2.1 STC89C52单片机最小系统............................... 3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。............. 错误!未定义书签。 3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。.................... 3.3.4 供电电源............................................. 4系统软件总体设计框图.............................. 错误!未定义书签。 5 测试方案与测试结果................................................. 6 总结............................................................... 参考文献............................................................. 附录................................................................. 基于stm32的旋转倒立摆 所在院系：工程训练中心 作者：岳伟杨博古元芮2017.7.21 基于stm32的单级旋转倒立摆控制系统的设计与实现 摘要 本文对单级旋转倒立摆的控制系统进行了研究，提出了以STM32F103为核心的控制器设计，在控制策略上采用经典控制理论PID的控制算法，实现对单级旋转倒立摆旋转臂及摆杆的同时闭环控制，通过传感器采集摆杆的状态数据，实时调整直流电机的转向和转速，以调整摆臂的角度，使摆杆恢复到动态平衡状态。在非平衡状态下，通过传感器的实时检测，能够通过功能键设计，使摆杆能稳定到一定的角度。最终测试结果表明系统控制策略有效。 关键词：STM32F103；直流减速电机；增量式PID 1引言 倒立摆控制系统是自动控制理论的重要研究平台，可对应于火箭垂直发射控制技术，因此对它的研究具有重大的实践意义和价值。目前对倒立摆的研究主要分为系统力学分析及建模，控制算法及仿真，而对实现手段少有研究。文章讨论了以STM32为核心的倒立摆控制器的设计与实现，它实现了经典双回路PID控制算法对旋转单级倒立摆的控制策略。 2方案设计与论证 2.1总体方案描述 整个系统分为系统模块、编码器模块、电机驱动模块、电机模块、电源模块、键盘模块、显示模块。各模块的系统框图如图1.1所示。 图 1.1 系统框图 2.2方案比较与选择 2.2.1芯片控制模块 方案一：采用传统的51系列单片机。 传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。 方案二: 采用stm32f103单片机 stm32f103单片机，具有功能强大、效率高的指令系统，以及高性能模拟技术及丰富的外围模块。方便高效的开发环境使操作更加简便，低功耗是其它类单片机难以比拟的，集成度较高，编程相对简单。 综上，选择了性能跟好的stm32f103单片机。 2.2.2电机选择 方案一：普通直流伺服电机 普通直流伺服电机有价格低使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高速度快，直流电机则不能满足要求。 简易旋转倒立摆及控制装置设计报告及总结 摘要 倒立摆系统机理的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有重要的现实意义，是控制类中经久不衰的经典题型。本题中，简易旋转倒立摆，在C8051F040单片机的基础上，使用ZGB42FM直流减速电机，BTN7971B电机驱动，可变电阻（角度传感器），机械摆杆等模块。通过编写、烧入程序，调控硬件协调工作，使摆杆首先实现一定角度的转动，再完成圆周运动，以及保持竖直向上的倒立状态。用以满足题目的基本要求,进而深一步探究倒立摆在保持运动姿态方面的发展与应用。 关键字：单片机，倒立摆，摆杆，可变电阻。 引言：本题整体上只由一个电机A 提供动力，电机直接控制旋转臂C 做往复旋 转运动，而通过转轴D 连接在旋臂C 上的摆杆E 是非常灵活的。旋臂C 转动一定角度时，摆杆E 由于向心力会使摆杆E 继续向上旋转，以达到E 杆转动一个角度的效果。相似，当C 的转动速度比较快，停下后，E 下端处的速度和向心力都比较大，能够使E 杆完成圆周运动。 为了使摆杆能够倒立，就要求摆杆转动到上半圆周面时，要通过单片机控制电机A 不断的调整使旋转臂C 转动多个角度，尽量的使摆杆E 与竖直面的角度变小，并能够受力平衡，这样就可以保持一段时间的倒立状态。为达到角度的调整，就要测量出E 杆与竖直面间的角度差，经过单片机的控制，使电机A 做出相应的旋转动作，减小这个角度差。 1、方案设计与讨论： 1.1结构框图 1.2方案论证： 1.21控制器模块 本题，单片机只要接收来自传感器的信号，向电机驱动输入信号处理后计算出的高低电平即可。 方案一：用ATMEL 公司生产的AT89S52单片机，低功耗，高性能CMOS 8位处理器，使用广泛,算法较为简单，但是在执行复杂动作时，处理速度不够高。 方案二:用宏晶公司生产的STC89C52RC 单片机，STC 的单片机性能与ATMEL 的单片机相似，但是价格相对便宜。缺点是易受潮湿影响，在调用子程序是频繁出错。 方案三:使用C8051F 单片机该芯片与标准的8051芯片兼容，拥有高速指令处理能力，增加了中断源，复位源，内部有两个12位的ADC 子系统，有JTAG 调试和边界扫描，片内集成的SPI 接口，方便系统外设扩展。 单片机 电机驱动 执行电机 摆杆 角度传感器 龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/d76474717.html, 基于LabVIEW的旋转倒立摆系统设计 作者：白富斌董君浩侯丽鹏 来源：《现代商贸工业》2016年第09期 摘要：以LabVIEW为平台，结合PID算法，对旋转倒立摆系统设计进行设计研究。 在倒立摆旋转过程中，通过编码器将判断位置与角度的相应电信号反馈给上位机，上位机通过运行程序计算并输出信号进而来控制摆杆的的角度、位置，使倒立摆的摆杆不会下垂。 关键词：旋转倒立摆；PID算法；LabVIEW；反馈调节 中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/https://www.360docs.net/doc/d76474717.html,ki.1672-3198.2016.09.096 0 引言 倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。在控制过程中，能有效地反映诸如鲁棒性、随动性等许多控制中的关键问题，是检验各种控制理论的理想模型。因此对倒立摆系统的研究在理论和方法上均有着深远的意义。 本文中，用增量式旋转编码器、伺服电机、伺服驱动器、数据采集卡、液晶显示模块等制作了一个一级旋转倒立摆系统，用PID算法，在LabVIEW中编程，进行控制测试及调整，最后实现对倒立摆的精准控制。 1 倒立摆系统的电路设计 旋臂一端与伺服电机连接并由伺服电机驱动，可绕转轴在旋转水平面内旋转，旋转臂另一端固定有一个旋转编码器，旋转编码器连接着摆杆，当旋转臂转动时会带动摆杆在与编码器转轴旋转方向内旋转。如图1所示。 2 系统工作原理 编码器将角位移电压信号送到控制器，根据状态反馈控制器将此电压信号输入LabVIEW 前面板中，通过程序计算出相对应的输出信号，再给PID模块输出相应的脉冲信号，发送给伺服驱动器，再由伺服驱动器使电机转动，进而实现对摆杆的控制 3 旋转倒立摆的PID控制算法 目录 第一章系统方案比较与选择 (3) 1.1总实现方案 (3) 1.2主控制器方案比较与选择 (3) 第二章理论分析与计算 (5) 2.1编码器脉冲转换角度设计 (5) 2.2摇摆及圆周算法设计 (5) 2.3机械结构设计及电机选型 (6) 2.4 PID算法设计 (7) 第三章系统电路设计 (9) 3.1 系统主板工作原理 (9) 第四章系统程序设计 (10) 4.1 系统总体模块图 (10) 4.2 系统总流程图 (11) 第五章系统测试与结果 (12) 5.1 传感器角度测试 (12) 5.2 摇摆及圆周运动测试 (12) 5.3 倒立摆测试 (13) 第六章误差分析 (14) 6.1 整体的误差分析 (14) 6.2 软件引起的算法误差分析 (14) 第七章参赛感悟 (15) 摘要 本设计综合考虑基础部分和发挥部分要点，采用mega128a为主控芯片，BTS7960驱动电机并在程序中涉及到pid算法对电机进行调控，在设计中，我们采用1000线编码器为角度传感器。在该简单控制装置中，我们实现了摆动，圆周运动和短时间的自动控制下的倒立。 关键字：倒立摆，mega128a，编码器 第一章系统方案比较与选择 1.1总实现方案 方案一：用陀螺仪和加速度计通过卡尔曼数据融合得到角度，用此处的角度为载体用单片机进行数据处理，并调整电机。 方案二：用电位器做角度传感，通过单片机自带ADC来读取电位数值以此为依据来判断角度，并调整电机。 方案三：用编码器做角度传感器，通过读取编码器的输出脉冲来计算角度传感器的输出角度，用此角度做处理调整电机。 通过对两个方案的对比选择，方案一中的加速度计和陀螺仪算法实现复杂，我们在融入卡尔曼滤波后有明显滤波效果，但是由于圆周运动，会使得各个方向轴返回的数据出错，且波动大，会减弱卡尔曼的滤波效果，对于pid的精准调整还是远远达不到预期。在方案二中，考虑到电位器内部结构问题，虽然理论上电位器在转动过程中是线性的，但是考虑到每次停靠的电阻位可能会产生误差，最后考虑到我们最终选定的单片机ADC只有10位，在方案三中，由于实现编码器的功能实现方便简单，并能更多的趋近于精确值，因此最后我们采用了方案三。 1.2主控制器方案比较与选择 为了完成在短时间快速采集并计算角度，主控器件必须有较高的CPU工作频率和存储空间。 方案一：采用51系列加强型STC12C5A60S2作为主控器件，用来实现题目所要求的各种功能。此方案最大的特点是系统规模可以做得很小，成本较低。操作控制简单。但是，我们在利用单片机处理高速信号快速扫描及电机控制时显得吃力， 51系列单片机很难实现这一要求。 方案二：采用ATMEL公司的AVR系列ATMEGA128A单片机为核心控制器件，MEGA128A有8个外部中断，中断系统丰富，并且有128K 字节的系统内可编程Flash，我们对它的性能和指标相对也较为熟悉，如此能够实现快速扫描和数据处理！ 基于STM32的单级旋转倒立摆控制系统的设计与实现 对单级旋转倒立摆的控制系统进行了研究，提出了以STM32为核心的控制器设计，在控制策略上采用经典控制理论PID的控制算法，实现对单级旋转倒立摆旋转臂及摆杆的同时闭环控制，最终测试结果表明系统控制策略有效。 标签：STM32；倒立摆；闭环控制 引言 倒立摆控制系统是自动控制理论的重要研究平台，可对应于火箭垂直发射控制技术，因此对它的研究具有重大的实践意义和价值。目前对倒立摆的研究主要分为系统力学分析及建模，控制算法及仿真，而对实现手段少有研究。文章讨论了以STM32为核心的倒立摆控制器的设计与实现，它实现了经典双回路PID控制算法对旋转单级倒立摆的控制策略。 1 控制系统硬件设计 倒立摆的系统主要由四部分构成：控制器，驱动系统，检测装置及机械部分。其中由于控制器需要完成复杂的PID运算，要求系统反馈控制速度快，因此以具有ARM核的32位STM单片机为核心完成控制算法；检测装置由光电码盘构成，主要用于检测电机转动速度及摆杆的角加速度，本系统中采用200P/R的欧姆龙光电编码器。驱动部分采用飞思卡尔公司生产的电机驱动芯片mc33886，其输出电流可以达到5A，可以实现电机PWM 调速，正反转，制动等实时控制功能。红外遥控及键盘为系统调试辅助装置，可以在系统运动过程中对程序中的P，I，D参数进行微调。控制系统部分硬件电路结构如图1所示。 图1 控制系统结构框图 系统中以STM32为核心的控制器控制电机正反转带动旋转臂来回摆动从而带动摆杆做圆周运动至直立状态，直立后迅速切换电机运行模式使摆臂稳摆。系统中由检测装置测得的摆臂位置，摆臂加速度及电机当前转速等参数反馈回STM32进行综合PID计算，输出PWM波进行电机调速从而使系统能处于稳态。控制系统的核心为STM32中对控制算法的实现。 2 控制算法及程序设计 倒立摆系统的控制过程是：通过电机带动旋转臂转动产生合适的力u使得旋转臂和摆杆在某一给定的初始条件下能够快速到达新的动态平衡。本系统是单输入双输出系统，在控制方案上采用采用经典控制理论的双闭环PID控制，系统控制原理方框图如图2所示： 图2 系统控制原理路 参赛注意事项 9月4日8:00竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高 职高 专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。 参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。 参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份 的有效证件（如学生证）随时备查。 每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。 竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制 作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须回避，对违纪参赛队 取消评审资格。 9月7日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》 ，由专人封存。 易旋转倒立摆及控制装置（C 题） 简【本科组】 、任务 D 固定在旋转臂C 的一端，当旋转臂C 在电动机A 驱动下作往复旋转运动时, 带动摆杆 E 在垂直于 旋转臂C 的平面作自由旋转。 二、要求 图1旋转倒立摆结构示意图 1.基本要求 （1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角 0°开始，驱动电机带动旋转臂作往复 旋转使摆杆 摆动，并尽快使摆角达到或超过-60° +60° （2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆 周运动; 2013年全国大学生电子设计竞赛试题 (6) 设计并制作一套简易旋转倒 立摆及其控制装置。旋转倒立摆 的结构如图1所示。电动机A 定在支架B 上，通过转轴F 驱动 旋转臂C 旋转。摆杆E 通过转轴 D 转轴 （1 6 1．旋转倒立摆机械部分必须自制，结构要求如下：硬质摆杆 E 通过转轴 D 连 接在旋转臂C 边 缘，且距旋转臂C 轴心距离为20cn ± 5cm ；摆杆的横截面 为圆形或正方形，直径或边长不超过 1cm ，长度在15cn ± 5cm 范围内；允 许使用传感器检测摆杆的状态，但不得影响摆杆的转动灵活性；图 1 中支 架 B 的形状仅作参考，其余未作规定的可自行设计结构；电动机自行选型。 2．摆杆要能够在垂直平面灵活旋转，检验方法如下：将摆杆拉起至水平位置后 松开，摆杆至少 能够自由摆动 3 个来回。 3．除电动机 A 之外，装置中不得有其他动力部件。 4．摆杆自然下垂状态是指摆角为 0°位置，见图 2。 5．摆杆倒立状态是指摆杆在 -165°至 165°范围内。 6．基本要求（ 1）、（2）中，超过 30s 视为失败；发挥部分（ 1）超过 90s 视为失 败；发挥 部分（ 3）超过 3 分钟即视为失败；以上各项，完 3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近 除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于 转臂的转动角度不大于 90°。 165°位置，外力撤 5s ；期间旋 2．发挥部分 1） 从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动， 杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于 10s ； 尽快使摆 2） 在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或 立状 态； 2s 内恢复倒 3） 在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转 过角度达到或超过 360°； 4） 其他。三、说明 2013年全国大学生电子设计竞赛 简易旋转倒立摆及控制装置(C题) 【本科组】 2013年9月7日 摘要 本题要求设计一个简易旋转倒立摆及控制系统，其中角度传感器、步进电机和单片机890C521是系统核心部件。系统接收角度传感器反馈的信号，通过PCF8591将接收的信号转换成数字信号，将数值送入单片机中进行计算，可得出摆杆的位置，进而单片机控制步进电机,对摆杆进行控制,达到所要的旋转或者倒立的控制目标。 关键词：简易旋转倒立摆步进电机单片机角度传感器 目录 1 设计任务及要求 (5) 1.1 设计任务 (5) 1.2 基本要求 (5) 2主控制器件的论证与选择 (6) 2.1控制器选用 (6) 2.2控制系统方案选择 (6) 2.3角度的获取模块论证与选择 (6) 2.4步进电机及其驱动模块的选择 (7) 2.5 AD/DA的选择 (7) 3 系统的硬件设计 (7) 3.1总体电路框图 (7) 图3-1 系统框图 (8) 3.2系统电路与程序设计 (9) 3.2.1 STC89C52单片机最小系统 (9) 3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。 (10) 3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。 (10) 3.3.4 供电电源 (11) 4系统软件总体设计框图 (13) 5 测试方案与测试结果 (13) 6 总结 (15) 参考文献 (16) 附录 (17) 简易旋转倒立摆及控制装置(C题) 【本科组】 1 设计任务及要求 1.1 设计任务 设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1-1 所示。电动机 A 固定在支架 B 上，通过转轴 F 驱动旋转臂 C 旋转。摆杆 E 通过转轴 D 固定在旋转臂 C 的一端，当旋转臂 C 在电动机 A 驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆 E 在垂直于旋转臂 C 的平面作自由旋转。 图1-1 旋转倒立摆结构示意图 1.2 基本要求 （1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角 0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°； （2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动； （3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近 165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于 5s；期间旋转臂的转动角度不大于 90°。简易旋转倒立摆及控制装置
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