简易旋转倒立摆及控制装置

简易旋转倒立摆及控制装置
简易旋转倒立摆及控制装置

简易旋转倒立摆及控制

装置

目录

序:倒立摆简介

前言:设计任务说明

一、二级旋转式倒立摆概述:结构设计说明

1.1 系统总体结构

1.2 机械结构

1.3 硬件部分

1.4 软件部分

1.5 相关计算

二、二级旋转式倒立摆的系统使用

2.1 注意事项

2.1.1 准备阶段注意事项

2.1.2 装配电脑的要求

2.1.3 使用注意事项

2.2 系统使用

2.2.1 开机操作与电位器零位的调整方法

2.2.2 系统操作与维护

三、设计小结

四、参考资料

倒立摆系统是理想的自动控制教学实验设备,使用它能全方位的满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等,都可以通过倒立摆直观的表现出来。

倒立摆系统具有模块性好和品种多样化的优点,其基本模块既可是一维直线运动平台或旋转运动平台,也可以是两维运动平台。通过增加角度传感器和一节倒立摆杆,可构成直线单节倒立摆、旋转单节倒立摆或两维单节倒立摆;通过增加两节倒立摆杆和相应的传感器,则可构成两节直线倒立摆和两节旋转倒立摆。

倒立摆的控制技巧和杂技运动员倒立平衡表演技巧有异曲同工之处,极富趣味性,学习自动控制课程的学生通过使用它来验证所学的控制理论和算法,加深对所学课程的理解。由于倒立摆系统机械结构简单、易于设计和制造,成本廉价,因此在欧美发达国家的高等院校,它已成为常见的控制教学设备。

同时由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性,许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象,并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法。因此,倒立摆系统也是进行控制理论研究的理想平台。

直线运动型倒立摆外形美观、紧凑、可靠性好。除了为每个子系列提供模块化的实现方案外,其控制系统的软件平台采用开放式结构,使学生建立不同的模型,验证不同的控制算法,供不同层次的学生进行实验和研究。

由于采用了运动控制器和伺服电机进行实时运动控制,以及齿型带传动,固高公司的倒立摆系统还是一个典型的机电一体化教学实验平台,可以用来进行各种电机拖动、定位和速度跟踪控制实验,让学生理解和掌握机电一体化产品的部件特征和系统集成方法。

前言

设计任务说明:

现代科技发展,推动传统教学方式的改革,迫使教学着眼培养学生的创造能力和实际操作能力。本次课程设计是《精密机械设计》课的重要组成部分,是打好技术基础和进行技能训练的重要环节。

我们小组研制的二级旋转式倒立摆系统,是一个典型的机电一体化系统,采用内置DSP运动控制器和力矩电机进行实时运动控制。二级旋转式倒立摆,及其功能扩展后的位置伺服系统,为自动控制理论,计算机控制系统等课程的教学和研究,提供了这类课程全方位的教学实验平台,同时它让学生理解和掌握机电一体化产品的部件特征和系统集成方法。

倒立摆及其功能扩展的位置伺服系统作为一种自动控制教学实验设备,能够全面地满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等,都可以通过实验装置直观的表现出来。

倒立摆的控制技巧,极富趣味性,很适合学习自动控制课程的学生使用它来验证所学的控制理论和算法,加深对所学课程的理解。基于DSP的旋转式倒立摆系统的最大特点是机械结构简单、可靠,成本低廉、体积小,是高等院校理想的自动控制教学的实验设备。

除教学用途之外,由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性,许多控制理论的研究人员一直将它作为研究对象,并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法,相关的成果在航天科技和机器人学方面获得了广泛的应用。因此,倒立摆设备也是进行控制理论研究的理想平台。

二级旋转式倒立摆系统可以方便地构成一个位置控制系统的被控对象,并配置由运算放大器组成的校正网络实验箱,构成位置控制系统进行经典控制理论(调节原理)的教学实验。也可用VC++6.0实现模拟运算放大器校正网络的功能。通过微机配置的调节原理实验软件,在计算机上实现系统的稳定性、时域特性、频域特性分析和品质校正的实验。此外,配置计算机控制系统和控制系统计算机辅助设计等课程的相关软件,用于控制系统设计类课程的实验。

综上所述,二级旋转式倒立摆系统的系列产品是一个多功能的教学实验平台,产品使用DSP 芯片来控制倒立摆,有利于系统的小型化,控制更加快速,抗干扰性强,控制品质有很大提高,可用于多门课程的教学实验。为教学和研究提供了现代实验装备和手段。

一、二级旋转式倒立摆概述

1.1、系统总体结构

二级旋转式倒立摆系统采用DSP作控制器,由直流力矩电机直接驱动,能够独立执行实时控制算法,脱离计算机直接运行;也可以通过RS-232C串行通讯接口用计算机控制,进行在线控制算法调试,是具有独立控制能力和标准通讯接口的专用智能实验设备。它的DSP部分、电源与电机驱动部分全部安装在机箱内,采用这样封闭式的结构,不易人为损坏。运动部分安装在机箱上,整体结构比较紧凑、合理。

图1是系统的总体结构示意图。

图1、系统总体结构图

系统的组成框图及工作原理如图2所示。

图2 系统框图

1.2、机械结构

系统的机械结构如图3所示,其中各部分为:1.旋臂,2.摆杆,3.电位器,4.直流力矩电机,5.支架,6.机箱,7.电源开关

一些器件的参数如下:

1.机箱尺寸:360 mm×240 mm×90mm,旋臂尺寸:300mm×20mm×10mm:,摆杆尺寸:

⑴Φ15mm×250mm,⑵Φ15mm×200mm,支架高度:400mm。

2.旋臂质量(包括电位器2):200g;摆杆质量:50g。两者都采用铝合金材料。

3.测量电位器:WDD35D导电塑料电位器,阻值:1KΩ,独立线性度:0.1%,寿命达5000

万转。

4.直流力矩电机:70L Y53永磁直流力矩电动机,堵转电压:Uf=27V,满额电流:If=2.26A,

堵转力矩:Mf=0.627Nm,最大空载转速:Nomax=900r/min。

图3、机械结构图

1.3、硬件部分

1.以TMS320F240 DSP控制器为核心器件,这是TI公司专门为电机控制系统设计的,具有强

大的数据处理功能和丰富的片内外设模块。能够独立执行实时控制算法,也可以通过RS-232C 串行总线与计算机通讯。其主要的性能指标如下:

1)高速静态CMOS工艺,16位定点数字信号处理器,50ns指令周期。

2)224K ×16位字的寻址能力(程序、局部数据、IO各64K,全局数据32K),544字×16

位片内数据/程序双口(Dual-Access)RAM,16K字×16位片内闪速存储器(FLASH)。

3)双10位ADC单元,各有8路输入,能够在10μs内同时实现两路转换。

4)12路比较/脉冲调宽(PWM)输出,直接针对电机控制系统设计。

5)串行通讯接口:支持RS-232标准的串行通讯。

6)具有可编程中断系统、事件管理模块、看门狗电路、锁相环时钟及基于扫描的仿真接口

(JTAG标准)。

2.20V直流稳压电源由集成电路LM317提供,输出电流可达1.5A,5V 直流稳压电源由集成

电路7805提供。

3.电机驱动部分采用PWM工作方式的芯片A3952SW。将DSP单元送出的PWM和DIR信号

进行合成放大,驱动电机工作。

4.变压器型号R80,功率72W,空载电流7mA,频率50Hz,初级输入电压220v。

5.与计算机通讯,采用RS-232串行通讯接口。

1.4、软件部分

软件系统包括DSP和PC两个部分。

1.PC软件编程语言Microsoft VC++ 6.0。

2.控制周期是10ms,界面上的显示刷新周期是50ms。

3.DSP软件编程利用CC编译器。

4.提供以下两种基本的运行方式:

1)联机调试方式:由PC进行控制,DSP只是作为PC的采样和控制输出接口单元使用,自身不

进行算法处理。

2)脱机运行方式:由DSP独立进行控制,此时,DSP仍然可以利用串行通讯接口将实时控制数

据发送到PC中,但是,PC只是用作观测、分析运行数据。

5.具有良好的人-机界面,可以很方便地进行算法调试。

1.5、相关计算

在忽略了空气流动,各种摩擦之后,可将倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统,如下图2所示

图2 单级倒立摆模型示意图

那我们在本实验中定义如下变量:

M 小车质量(本实验系统0.5 Kg)

m 摆杆质量(本实验系统0.2 Kg)

b 小车摩擦系数(本实验系统0.1 N/m/sec)

l 摆杆转动轴心到杆质心的长度(0.3 m)

I 摆杆惯量(0.006 kg*m*m)

F 加在小车上的力

x 小车位置

φ摆杆与垂直向上方向的夹角

θ摆杆与垂直向下方向的夹角(考虑到摆杆初始位置为竖直向下)

下面我们对这个系统作一下受力分析。下图3是系统中小车和摆杆的受力分析图。其中,N 和P 为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。

注意:在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已经完全确定,因而矢量方向定义如图,图示方向为矢量正方向。

图3 倒立摆模型受力分析

分析小车水平方向所受的合力,可以得到等式: 应用Newton 方法来建立系统的动力学方程过程如下: 分析小车水平方向所受的合力,可以得到以下方程:

N x b F x

M --= 由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式:

)

sin (2

2θl x dt d m

N +=

即 θθθθsin cos 2 ml ml x m N -+=

把这个等式代入上式中,就得到系统的第一个运动方程:

F ml ml x b x m M =-+++θθθθsin cos )(2 (1)

为了推出系统的第二个运动方程,我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析,可以得到下面方程:

θθθθθcos sin )

cos (222

ml ml mg P l dt

d m mg P --=-=-即:

力矩平衡方程如下:

θθθ I Nl Pl =--cos sin

注意:此方程中力矩的方向,由于θφθφφπθsin sin ,cos cos ,-=-=+=,故等式前面有负号。

合并这两个方程,约去P 和N ,由231

ml I =得到第二个运动方程:

θθθcos sin 23

4

x ml mgl ml -=+ (2)

设φπθ+=(φ是摆杆与垂直向上方向之间的夹角),假设φ与1(单位是弧度)相比很小,即φ

《1,则可以进行近似处理:1cos -=θ,φθ-=sin ,0

)(

2

=dt d θ。用u 来代表被控对象的输入

力F ,线性化后两个运动方程如下:

?????=-++=-u ml x b x m M x g l φφφ

)(4 (3)

参数可行性计算:

转轴承受应力:

t=T/W=T/0.2d^3=3.15N/mm<[t] 45号刚 [t]=29.4~39.2

悬臂承受应力: (屈服应力) σ=F/A=1.63Mpa< [σ] [σ]=140Mpa

电机扭矩

M=FL=0.588Nm<0.627Nm Mf=0.627Nm

二、二级旋转式倒立摆的系统使用

2.1、注意事项

2.1.1、准备阶段注意事项

1.手提支架将倒立摆放置在具有一定强度且平稳的实验台上。

2.检查倒立摆有无损坏,螺钉是否松动,尤其轴向连接部位是否松动。

3.检查所配附件有无短缺、损坏。

2.1.2、电脑的配置要求

A、操作系统是WIN98;

B、内存足够大,最好是256M;

C、机器内装有VC++6.0软件;

D、PC机中装有MATLAB6.1软件;

2.1.3、使用注意事项

1、倒立摆装置要摆放在有足够强度和稳度的水平桌面上。

2、置两端要有足够的空间,使得旋臂和摆杆能够自由地晃动。有关人员应避免站在摆的左右方,

以免造成伤害。

3、不要在高温和潮湿的环境中使用该设备。

4、进行系统连线、拆卸与安装前,必须关闭系统所有电源。

2.2、系统使用

2.2.1、倒立摆的开机操作及电位器零位调整方法

1.倒立摆放在平整的桌面上,在桌子的附近要有一台电脑。拿出电源线,首先插好电源线,然后用内六角扳手把固定摆杆和悬臂的夹箍松开。再检查有无螺丝松动,若有螺丝松动请上紧!

2.打开倒立摆的电源,打开电源的同时最好用手扶助摆杆,当摆杆和悬臂打到倒立摆黑色固定限位垫圈时等待大概30秒的时间悬臂开始震动,此时用手轻轻的扶助悬臂和摆杆到倒立的位置,倒立摆就可以正常工作了。

3、以上操作倒立摆不能正常工作,此时可以关掉电源然后重新打开电源,再重复以上的操作。如果多次开关机后仍然不能正常工作,可以判断电位器的零位不对,需要调整倒立摆电位器的零位。以下重点介绍电位器的零位调整方法:

1、首先关掉电源,然后放倒倒立摆打开倒立摆的底盖,拔掉电源板上电机线插头(电源板上有

散热器很好确认,电机线插头在集成块A3952附近,两芯的大插头)。

2、松开倒立摆的电位器固定螺丝参照图4:A、B、C、D、E五个螺丝然后用一字螺丝刀调整电

位器调节处T1、T2就行了。

图4

注:倒立摆电位器零位调整参照图(先松开A、B、C、D、E等5个电位器固定螺丝,再调T1、T2电位器调节处

3、打开倒立摆的电源观察PC上显示的和倒立摆实际的位置是否一致,如果不一致调节T1、T2

使得倒立摆实际的位置和PC中显示的位置一样就行了。

4、调节完毕后固定螺丝,固定时千万要小心先固定B然后固定C、D、E最后固定A。

5、螺丝固定后,看此时倒立摆的摆杆和悬臂位置是否和PC显示的一致,若此时还是一致说明电

位器的零位调节成功!关掉倒立摆电源。

6、插上电源板上电机插头(红、黑两色),上好底盖。

7、打开倒立摆此时倒立摆应该能正常工作了。

2.2.2系统操作与维护

1.脱机控制(不需要计算机直接用倒立摆内部的DSP控制)

倒立摆的脱机控制:

无需与计算机连接,由DSP独立完成控制功能。接通电源后,打开倒立摆开关,旋臂将带动摆杆摆起到倒立位置附近,(必要时用手扶到中间位置,)倒立摆保持平衡运动状态。

2.系统维护

1)电气部分出现故障,将倒立摆放倒,可将底板装置上的驱动部分及DSP部分拆开,进行维修调整。

2)摆杆摆动时距离箱体距离不相等,可松开图4中C处的螺钉,调整摆杆位置,使它不与箱体发生碰撞。

3)由于意外使倒立摆发生撞击或摔打,倒立摆无法实现倒立控制,或者旋臂偏移平衡位置较大,

则需要重新调节电位器的零点。

三、设计小结

1. 过程总结

刚开始拿到任务的时候,我们很彷徨,完全不知道该如何去设计。从网上不断查资料,只是知道了这个装备的工作原理,但是毫无设计思路。期间,不曾一次想放弃,换一个更加简单的题目。但是由于不想放弃这一次亲自动手的机会,我们并未更换题目,而是坚持做这个题目。

在迷茫中,我们一直踯躅,感觉以我们现在的能力不可能独立完成这个任务。但是,在制作过程中,我们渐渐明白了这个机构的工作原理,以及有了设计思路。第一次设计过程中,我们摸索着只制作了一个一级的倒立摆。尽管老师批准了我们可以做这个,我们这时却已经明白了设计的理念,觉得这样太简单了,一是不符合开始的规定要求,其次也让我们工作的成就感大打折扣。尽管已经完成了装配图,我们毫不犹豫的把整张图都擦掉了,并且从新画了一份新的装配图。尽管过程中不管有细节需要修改,但是我们却越来越有信心。每一次解决一个设计难题,我们的心里都会有莫大的成就感。随着装配图的最终成型,我们的胜利的喜悦感油然而生。

我们这个机构的零件图很简单,不怎么麻烦的就完成了。在最后说明书的时候,也遇到不少困难。例如应力的那些计算。尽管都是曾经学过的知识,但是我们都只有模糊的印象,具体的公式参数都已忘记。只能从新翻书查阅,把曾经的知识再次学习一遍。

尽管设计过程看起来枯燥无聊,但是其中不乏一些令人情趣盎然的亮点。比如在开始查阅资料的时候,我们找到的大多数都是直线倒立摆的资料,旋转倒立摆的资料相对较少。每每找到一份旋转倒立摆的资料,都会让我们兴奋半天。然而,找到的资料也不是都能够使用。在我们找到的资料中,大部分都是和算法有关的,根本没有机械结构的设计。我们只好摸着石头过河,根据他们的轮廓图以及自己的设想,逐步完成设计。再设计过程中,那个支架完全来自我们自身的创意。既节省了材料,又增加了美观度。尽管并不是什么伟大的设计,但是让我们颇为自豪。在一些配件的选择过程及结构设计中,我们也会出现不同的意见,也会发生争执。这些争执,促使我们更深入的是了解相关知识,让我们对与结构等有了更深入的认识,收获很大。

2. 改进设想

1.部分材料可能可以选取更轻便的材料

2.部分结构可以合并到一起,减少工艺结构

3.合理结构设计,便于传输数据线的连接

3. 心得体会

这次课程设计,是我们大学以来,第一次自主设计。通过对于我们设计内容的了解,让我们对倒立摆有了深刻的认识,了解了2级倒立摆的结构和工作原理。是一次把我们所学的原理运用到时间之中的实践学习。尽管其中经历过挫折,一度想放弃,但是我们坚持了下来,并最终完成了作品。看着最后的成品,完全不相信这个是我们自己完成的。

在这次设计过程中,更多的是体现出来我们的不足。首先是对于课本知识的应用。尽管我们都考过了精密机械设计,工程力学这些科目,并且还取得了不错的成绩,但是当这些知识真正运用到设计过程中时,却不知道如何运用。其次便是对于专业知识认识的匮乏,例如在选择材料的时候,我们根本不知道材料的特性,不知道在什么情况下该选用什么材料才是最合适的。再次,设计过程中的团队合作也没有很好的体现出来。尽管有分工,但是不太明确,导致本来1小时能完成的任务,用了2个小时,既浪费了时间精力,又不能保证成品质量。这些都是以后要注意的。

在这次课程设计过后,我对于自己学习的方向有了全新的认识。知道了自己的不足。

尽管中途坎坷,但是看着最终完成的作品,内心还是很喜悦的。尽管可能最后的成品还有很多不足,但是这是一个完全我们自己设计的作品,无论好坏,我们在这一刻都是成功者。

四、参考资料

《.平行单级双倒立摆系统的建模与滑模变结构控制》[J].2008.1张春,江明,陈其工等《机械学基础》,科学出版社,蒋秀珍主编;

《精密机械零件》,机械工业出版社,庞振基主编;

《精密机械零件手册》,机械工业出版社,天津大学、北工大合编;

《仪表结构设计图册》,机械工业出版社,陈文贤主编;

《机械设计手册》成大先

相关各类国家标准和其它各类机械设计手册。

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

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

旋转倒立摆设计报告

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)

单级倒立摆

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

单级旋转倒立摆系统之令狐文艳创作

《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

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

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

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

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

基于LabVIEW的旋转倒立摆系统设计

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/5a13968175.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/5a13968175.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

2013全国电子设计大赛旋转倒立摆

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

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

2013年全国电子设计大赛题目简易旋转倒立摆及控制装置(C题)

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

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

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°。

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