(完整版)单级倒立摆毕业设计
直线型一阶倒立摆毕业设计说明书
直线型一阶倒立摆毕业设计说明书本科学生毕业设计直线型一阶倒立摆设计与制作（控制部分）院系名称：机电工程学院专业班级：机械电子09-2学生姓名：王兴隆指导教师：齐建家职称：讲师黑龙江工程学院二○一三年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeLinear 1--Stage Inverted Pendulum Design and Manufacture（Control Section）Candidate：Wang XinglongSpecialty：Mechanical and ElectronicEngineeringClass：09-2Supervisor：Lecturer Qi JianjiaHeilongjiang Institute of Technology2013-06·Harbin摘要本文首先对倒立摆现阶段的种类、反应的主要控制问题、各个领域上的应用、国内外现状以及现阶段的主要控制方法做了简要的介绍，进而提出了本次设计的任务与要求。
其次是倒立摆系统设计制作。
在硬件设计制作中在能满足控制要求的前提下，主要按照结构简单，价格低廉，功耗低的标准，选择小车各个功能模块的芯片，设计各部分电路的。
本次设计采用ATMEGA16单片机作为小车的控制核心；采用能耗低、性能优越的直流减速电机；采用全球首例整合性6轴运动处理组件MPU6050测量角速度和角加速度。
在此基础上，结合卡尔曼滤波与PID控制算法进行软件程序设计。
最后，小车的软件硬件结合，进行系统的调试，数据记录，结果分析，实现了两轮小车系统的动态自平衡功能。
在车身35cm以下的情况下，整个系统的抗干扰能力很强。
关键词：一阶倒立摆；Atmega16；MPU6050；PID；卡尔曼滤波ABSTRACTIn this article, firstly the brief introduction of the types of inverted pendulum , the main control problems of the reaction, application in varies fields, o verseas and domestic research status and different control ways of inverted pendulum were given. And then the task and the requirement of the design were promoted.Secondly, it is linear 1--stage inverted pendulum design and manufacture. I t could satisfy the control requirements on the premise.It depended on if the structure is simple, the price is low, low powerconsumption when we chose the chips and design each part of the circuits i n the hardware design and production. In this design we use the ATMEAGA16 MCU as the control core and low power consumption better property DC geared motor. We use the world's first integrated 6 axis motion processing components MPU6050 measuring angular velocity and angular acceleration. Based on the hardware, we combined with kalman filter and PID control algorithm and operate in the software design.Finally, we combine the software and hardware, debug the system, and analyzethe results.It realized the balancing function of the two rounds car system.The anti-interference ability of the whole system is very strong under 35cm height.Key words:1--Stage Inverted Pendulum; Atmega16; MPU6050;PID;Kalman目录摘要..................................................................................................................................... Abstract (I)目录 (II)第1章绪论 01.1 概述 01.2 倒立摆系统的种类 01.3 倒立摆系统的研究集中地 01.4 倒立摆系统反应的主要控制问题 01.5 倒立摆系统在各个领域的应用 (1)1.6 倒立摆系统的研究现状 (1)1.7 倒立摆系统的主要控制方法 (2)1.8 设计内容 (2)第2章总体方案设计 (3)2.1 设计任务 (3)2.2 基本原理（控制部分） (3)2.3 设计要求 (3)2.4 系统功能框图 (3)2.5 本章小结 (4)第3章倒立摆系统原理篇 (5)3.1 车模平衡控制 (5)3.2 车模角度和角速度测量 (6)3.3 车模速度控制 (7)3.4 本章小结 (11)第4章倒立摆车控制系统设计 (12)4.1 最小系统要求 (12)4.2 芯片选型 (12)4.2.1 芯片特点 (12)4.2.2 引脚说明 (14)4.3 I/O接口分配 (15)4.3 驱动模块 (15)4.5 MPU6050模块 (16)4.6 电源模块 (17)4.7 系统原理图 (17)4.8 本章小结 (17)第5章倒立摆控制程序与算法设计 (19)5.1 系统软件设计说明 (19)5.2 PID控制算法 (19)5.2.1 PID控制算法简介 (19)5.2.2 PID控制算法特点 (19)5.2.3 电机控制算法程序 (20)5.3 卡尔曼滤波 (21)5.3.1 卡尔曼滤波的介绍 (21)5.3.2 卡尔曼滤波在倒立摆系统上的应用 (21)5.4 主程序设计软件流程 (22)5.4 显示子程序设计 (24)5.5 本章小结 (25)第6章系统调试与结果分析 (26)6.1 硬件测试 (26)6.2 联机调试 (26)6.2.1 参数设置 (26)6.2.2角度参数整定 (27)6.2.3速度参数整定 (27)6.3 测试仪器与方法 (28)6.5 本章小结 (28)结论 (29)参考文献 (30)附录1 (33)材料清单 (33)附录 2 (343)原理图 (34)附录3 (35)主程序 (35)子程序 (43)第1章绪论1.1 概述倒立摆是进行控制理论研究的典型平台。
单级倒立摆课程设计
单级倒立摆课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握单级倒立摆的基本概念、原理和数学模型；2. 使学生了解单级倒立摆在实际工程中的应用和价值；3. 引导学生运用物理知识分析单级倒立摆的动态特性及稳定性。
技能目标：1. 培养学生运用数学、物理知识解决实际问题的能力；2. 提高学生动手实践能力，学会设计、搭建和调试单级倒立摆控制系统；3. 培养学生团队协作、沟通表达及分析问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对物理科学研究的兴趣，培养创新意识和探索精神；2. 引导学生关注我国在倒立摆技术领域的发展，增强国家认同感；3. 培养学生严谨的科学态度和良好的学习习惯。
课程性质：本课程为物理学科实验课程，旨在通过实践操作，让学生深入理解单级倒立摆的原理和应用。
学生特点：本课程针对高中学生，他们在数学、物理基础知识方面有较好的储备，具备一定的动手能力和探究精神。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，引导学生主动参与，提高综合运用知识解决实际问题的能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。
二、教学内容1. 理论知识：- 单级倒立摆的基本概念、原理及数学模型；- 倒立摆系统的动态特性分析；- 倒立摆稳定性判据及控制方法。
2. 实践操作：- 搭建单级倒立摆实验装置；- 设计并实现单级倒立摆控制系统；- 调试优化控制系统，实现倒立摆的稳定控制。
3. 教学大纲：- 第一周：单级倒立摆基本概念、原理及数学模型学习；- 第二周：倒立摆系统的动态特性分析；- 第三周：稳定性判据及控制方法学习；- 第四周：实践操作，搭建实验装置；- 第五周：设计并实现单级倒立摆控制系统；- 第六周：调试优化控制系统，总结交流。
教材章节：本教学内容参考课本第十章“自动控制”，具体涉及第1节“倒立摆控制”和第2节“倒立摆控制系统设计”。
教学内容安排和进度：按照教学大纲，每周安排一次课，共计6周。
理论教学与实践操作相结合，保证学生充分理解并掌握单级倒立摆相关知识。
毕业设计-倒立摆44
Key words : an inverted pendulum, PID control and MATLAB simulation
II
洛阳理工学院毕业设计（论文）
目
录
前言 ...................................................................................................... 1 第 1 章 倒立摆 .................................................................................... 2 1.1 倒立摆的意义 ......................................................................... 2 1.2 倒立摆的分类 ......................................................................... 2 1.3 倒立摆的组成 ......................................................................... 4 1.4 倒立摆的控制方式 ................................................................. 5 1.5 倒立摆的原理简述 ................................................................. 5 第 2 章 直线一级倒立摆数学模型..................................................... 7 2.1 直线倒立摆的运动方程的推导 ............................................. 7 2.2 传递函数. .............................................................................. 9 2.3 状态空间的结构方程 ........................................................... 10 2.4 倒立摆实际系统模型 ........................................................... 10 第 3 章 MATLAB 仿真软件应用 ..................................................... 12 3.1 MTALAB 系统主要部分 ..................................................... 12 3.2 MATLAB 的主要特点 .......................................................... 12 3.3 MATLAB 的仿真工具 SIMULINK .................................... 13 3.4 采用 MATLAB 语句形式进行仿真 ...................................... 14 第 4 章 PID 控制理论 ....................................................................... 16 4.1 PID 控制概述 ........................................................................ 16 4.2 常用的数字 PID 控制系统 .................................................. 16 4.3 PID 控制原理特点 ................................................................ 17 4.4 PID 参数的调整 .................................................................... 18 4.5 PID 控制回路的运行 ............................................................ 19 第 5 章 直线一级倒立摆的 PID 控制与调节................................... 21 5.1 PID 控制器的设计 ................................................................ 21 5.2 PID 控制器的 MATLAB ...................................................... 23 结 论 .................................................................................................. 28 谢 辞 .................................................................................................. 29
倒立摆毕业设计论文
摘要倒立摆是进行控制理论研究的典型实验平台，许多抽象的控制理论概念，如系统的稳定性、可观性及可控性等都可以通过该系统直观地表示出来。
倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量的不稳定系统，在控制研究领域有着代表性的意义，难以用经典的控制理论建立其控制器。
倒立摆作为控制系统的被控对象，许多抽象的控制概念都可以通过它直观的表现出来。
本毕业设计以直线倒立摆为研究对象，对直线一级倒立摆模型控制算法的仿真，并得出了相应的结论。
首先对倒立摆的分类、特性、控制目标、控制方法等以及倒立摆控制研究的发展及其现状进行了分析。
然后利用动力学原理推导了直线一级倒立摆的数学模型，求出其传递函数及状态空间方程。
利用现代控制理论方法，借助MATLAB程序分析了直线倒立摆系统的稳定性、可控性和可观性。
在建立系统模型的基础上，研究了倒立摆系统的控制策略。
对直线一级倒立摆控制采用经典控制方法，设计了常规PID控制器、双路PID控制器及基于倒立摆系统的状态空间方程PID控制器，并利用MATALAB/Simulink软件进行仿真，取得不同的控制效果。
对直线一级倒立摆控制采用现代控制方法，设计了LQR控制器，得出直线一级倒立摆LQR控制仿真图，通过改变Simulink的LQR模块及状态空间模块中的参数得到最好的控制效果。
关键词：倒立摆；PID控制；最优控制；系统仿真；SIMULINKAbstractThe inverted pendulum is put to go on in the typical experiment platform which controls the theoretical research, a lot of abstract control theory concepts,such as instance systematic stability, considerable and controllability,etc. can all show ocularly thought this system.The inverted pendulum system is characterized as a fast multi-variable nonlinear essentially unsteady system. Control research fieldrepresentative meaning, set up his controller with the classical control theory while being difficult. The handstand is put as the target of accusing of of the control system, a lot of abstract control concepts can all show ocularly through it.Graduation project this wave, for research object, wave model emulation to control algorithm with straight line handstand to straight line first class handstand have drawn the corresponding conclusionhas made the modelings, control algorithm simulations and experiments on the 1-stage inverted pendulum, and has drawn the corresponding conclusion.At first to classification, characteristic, control goal that handstand wave, control method,etc. and handstand wave development and current situation studied to control analyze. Then utilize the dynamics principle to derive the mathematical model that the straight line first class handstand puts, ask it out and transmit the function and state space equation. Utilize the modern control theory.The control stategies of inverted pendulum system have been studied on the basis of building system model. By taking classic control methods to the linear 1-stage inverted pendulum, designed have been the conventional PID controller and double closed loop controller and the PID controller based on state space equation of inverted pendulum system. And by making MATALAB/Simulink simulation, different effects have been acquired By taking modern control methods to the linear1-stage inverted pendulum, the LRQ controller has been devised, the LRQ control simulation figure of the linear 1-stage inverted pendulum has been obtained. And by altering the parameters of Simulink LRQ model and state space model, the best control result has been achieved.Key words: Stand upside down swaying; PID controls; Optimal control; System simulates; SIMULINK目录摘要 (I)Abstract (II)目录............................................................................................................................................... I II 第一章绪论.. (1)1.1 倒立摆的简单分析 (1)1.2 倒立摆的分类 (1)1.3倒立摆的特性 (2)1.4倒立摆的控制方法 (3)1.5国内外对于倒立摆的研究现状 (3)1.6本章小结 (5)第二章直线倒立摆数学模型的建立 (7)2.1 直线一级倒立摆系统的数学模型 (7)2.1.1 直线一级倒立摆系统运动方程的推导 (7)2.1.2直线一级倒立摆系统分析 (11)2.2本章小结 (15)第三章直线一级倒立摆系统PID控制与仿真 (16)3.1PID控制系统设计原理 (16)3.2 PID参数调整 (17)3.3 直线一级倒立摆PID控制器设计 (18)3.3.1 直线一级倒立摆摆杆角度控制 (18)3.3.2直线一级倒立摆小车位置控制 (19)3.4直线一级倒立摆PID控制算法仿真 (20)3.4.1直线一级倒立摆杆角度控制算法仿真 (20)3.4.2直线一级倒立摆小车位置控制算法仿真 (22)3.5直线一级倒立摆双闭环PID控制算法仿真 (24)3.6本章小结 (26)第四章直线倒立摆系统LQR控制与仿真 (28)4.1线性二次型最优控制LQR控制原理简介 (28)4.2倒立摆LQR控制器的设计 (29)4.3直线一级倒立摆LQR控制算法仿真 (31)4.4 本章小结 (35)第五章总结与展望 (36)参考文献 (37)致谢 (38)第一章绪论1.1 倒立摆的简单分析倒立摆是处于倒置不稳定状态、通过人为控制使其处于动态平衡的一种摆，是一个复杂的快速、非线性、多变量、强祸合、自然不稳定系统，是重心在上、支点在下控制问题的抽象。
(完整)倒立摆实验报告
专业实验报告摆杆受力和力矩分析θmg VH θX V X H图2 摆杆系统摆杆水平方向受力为：H 摆杆竖直方向受力为：V 由摆杆力矩平衡得方程：cos sin Hl Vl I φφθθπφθφ⎧-=⎪=-⎨⎪=-⎩（1） 代入V 、H ，得到摆杆运动方程。
当0φ→时，cos 1θ=，sin φθ=-，线性化运动方程：2()I ml mgl mlx θθ+-=1.2 传递函数模型以小车加速度为输入、摆杆角度为输出，令，进行拉普拉斯变换得到传递函数：22()()mlG s ml I s mgl=+- （2） 倒立摆系统参数值：M=1.096 % 小车质量 ，kg m=0.109 % 摆杆质量 ，kg0.1β= % 小车摩擦系数g=9.8 % 重力加速度，l=0.25 % 摆杆转动轴心到杆质心的长度，m I= 0.0034 % 摆杆转动惯量，以小车加速度为输入、摆杆角度为输出时，倒立摆系统的传递函数模型为：20.02725()0.01021250.26705G s s =- （3） 1.3 倒立摆系统状态空间模型以小车加速度为输入，摆杆角度、小车位移为输出，选取状态变量：(,,,)x x x θθ= （4）由2()I ml mgl mlx θθ+-=得出状态空间模型001001000000001330044x x x x x g g lμθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥'==+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦（5） μθθθ'⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0001000001 xx x y （6） 由倒立摆的参数计算出其状态空间模型表达式：（7）010000001000100029.403x x x x x μθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥'==+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦（8）00x μθθ⎤⎥⎡⎤⎥'+⎢⎥⎥⎣⎦⎥⎥⎦作用）增大，系统响应快，对提高稳态精度有益，但过大易作用）对改善动态性能和抑制超调有利，但过强，即校正装Ax B Cx μ+= 1n x ⎥⎥⎥⎦，1n x x x ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，1111n n nn a A a a ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ ， 1n B b ⎥⎥⎥⎦，]n C c =。
旋转倒立摆的毕业设计
太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：基于单片机控制的旋转倒立摆系统（硬件设计）原始资料：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。
电动机固定在支架上，通过转轴驱动旋转臂旋转。
摆杆通过转轴固定在旋转臂的一端，当旋转臂在电动机驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆在垂直于旋转臂的平面作自由旋转。
二、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°。
毕业设计（论文）主要内容：1、Abstract部分。
论文首先进行摘要的编写，即英文和中文摘要；具体为本文主要介绍基于单片机控制的选择倒立摆。
通过分析倒立摆的的系统原理，可以使倒立摆旋转起来。
2、绪论部分(包括引言）。
主要包括课题研究地意义、倒立摆研究历史及其现状、倒立摆的控制规律、PID控制现状分析与研究以及论文的主要工作3、倒立摆简介。
包括倒立摆系统组成、实物图片、公式、主要原理以及现有控制方法；对主控制器件的论证与选择。
包括控制器选用，控制方案的选择，角度的获取模块论证与选择，步进电机及其驱动模块的选择。
4、对系统硬件的设计，包括总电路图，系统框图和各模块的原理图。
5、PID和模糊控制简介及控制算法。
6、参考文献及心得体会，总结主要参考文献：[1]李国勇.自动控制原理[M].电子工业出版社.2010.[2]李晓林，牛煜光，闫高伟.单片机原理及接口技术[M].电子工业出版社.2011.[3]王桔.简易旋转倒立摆及控制装置[J].长春大学学报.2013（12）：1538-1540.[4]吕昊然.简易旋转倒立摆及控制装置设计[J].电子世界.2013（23）：135-136.[5]包敬海，覃贵寿.基于STM32和增量PID的旋转倒立摆的设计[J].钦州学院学报.2013（11）：10-14.[6]王招治.基于MATLAB的旋转倒立摆的控制与仿真分析[J].机电技术.2012(4):36-39.[7]Miller&Frederic P.Inverted Pendulum[M].VDM Verlag Dr. Mueller e.K.2010.[8]Olivares M&Albertoes P.Linear control of the flywheel inverted pendulum[J].ISA Transactions.2014.Vo1.543-547.[9]Kot,Andrzej.Bi-axial inverted pendulus modelling[A].Carpathian Control Conference (ICCC),2013 14th International.[10]曹建平.单级旋转倒立摆的控制系统设计[J].自动化应用.2014(4):32-34.[11]陆斌，郭燕飞.基于C8051F020单片机的简易旋转倒立摆系统[J].工业控制计算机.2014(2):123-124.[12]刘峰.基于模糊控制的单级旋转倒立摆系统设计.科技创新导报.2014夏(2):83.[13]汪雨寒，夏洪浩，杨思亚.简易旋转倒立摆及控制装置的系统设计.大学物理实验.2014（4):37-39.[14]李保林，吕跃，袁浩.一级旋转倒立摆的模糊控制[J].实验室科学.2008(5):77-79.[15]Li,Zhi jun.Advanced Control of Wheeled Inverted Pendulum Systems[M].Springer.2012.学生须提交的文件：1、内容完整、层次清晰、叙述流畅、排版规范的毕业设计论文；2、包括毕业设计论文、源程序等内容在内的毕业设计电子文档及其它相关材料。
倒立摆毕业设计开题报告
毕业论文开题报告论文题目：单级倒立摆机电系统建模，仿真与控制（基于能量的建模方法）一课题背景：1 单级倒立摆模型在惯性参考系下的水平面上，倒摆由无质量的轻杆和一定质量的小球组成，轻杆通过转动关节安装在小车上．在不考虑空气阻力、摩擦力，并且忽略杆的质量及其弹性变形的情况下，定义x和 分别表示小车偏离基准点的水平位置(小车位移)和倒摆偏离竖直方向的角度(倒摆摆角)．设小车的质量为，小球的质量为m，杆长为z，小车水平方向的驱动力为n．单级倒立摆系统的物理结构如图1所示．2 倒立摆的发展与研究倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量和不稳定系统，同时也是一种广泛应用的物理模型，倒立摆控制理论产生的方法和技术在半导体及精密仪器加工、机器人技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面有广泛的应用，由于倒立摆系统与火箭飞行以及机器人控制具有很大的相似性，已成为人们研究和验证各种控制理论有效性的实验系统，因此对其进行非线性控制方法研究具有重要的理论和实践意义。
在中外有很多学者对倒立摆系统做过深入研究有基于MATLAB单级倒立摆系统研究，单级倒立摆的逼近逆模型及趋近控制研究等。
对于单级倒立摆系统，目前已有多种控制方法可对其实现稳摆控制。
典型的有线性PID控制、常规PID控制、LQR控制、智能控制，模糊控制等。
早在60年代人们就开始了对倒置系统的研究，1966年Schaefer和Cannon应用Bang一_Bang控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置。
在60年代后期，作为一个典型的不稳定、严重非线性之例，人们提出了倒立摆概念，并用其检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的处理能力，受到世界各国许多科学家的重视，用不同的控制方法控制不同类型的倒立摆，成为具有挑战性的课题之一。
倒立摆系统的控制目标是使倒立摆这样一个不稳定的被控对象，通过引入适当的控制方式使之成为一个稳定的系统，系统上表现为把摆稳定地竖立在本来不稳定的竖直位置。
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。
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缺点：价格稍显昂贵，编程较复杂。
方案三：使用STM32F103内部集成了1μs的双12位ADC，可对角度传感器信号进行采集与处理。硬件电路连接较简单，低功耗，系统运行稳定。最高工作频率72MHz，运算速度较快。STM32引脚如图1-3：
图1-3 STM32引脚图
缺点：价格昂贵，编程复杂。
缺点：扭矩较大，反应动作较慢，价格昂贵。
方案三：采用直流电机，直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便(可无级调速)、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高的优点。
图1-1 8051引脚图
缺点：51单片内部资源有限，内部没有集成的A/D转换器，在一些需要数据采的应用场合，需要外扩A/D转换器，硬件连接较复杂，给系统设计过程带来不便。
方案二：使用atmega16内部集成了10位A/D转换器，可对角度传感器信号进行采集与处理，还集成了PWM的功能，硬件电路连接较简单，系统运行稳定。运算速度较快。Atmega16简介:ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；停电模式时晶体振荡器[1]停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。引脚图如图1-2:
关键词：角度传器；电动机；倒立摆；反馈；倒立控制；PID控制
Abstract
The system taking ATmega16 as the platform, mainly composed of a mechanical device and microcomputer automatic control system, for processing will be installed in the GY-61 pendulum angle sensor data, summarize the pendulum plate adjusting certain angle by analysis and experiment data force pendulum inverted the oscillating process, improves the stability of inverted swing device for automatic control. By adjusting the speed, control the direction and PID dynamic PWM technology to control the motor, to achieve a variety of device design requirements, achieve the design purpose, completed the design function.
最终选择方案：方案二。因倒立摆摆动速度快，对ADC采样速率及运算速度要求较高，所以我们这里选择方案二。方案三因价格昂贵，编程复杂，所以在这里我们不做考虑。
1.1 电机的选择
方案一：采用步进电机，步进电机具有控制简单、定位精度高、无累计误差等优点。
缺点：扭矩较小，反应动作较慢，价格昂贵。
方案二：机构动力部分选用伺服电机，能精确控制转动角度、速度。
Keywords:Angle sensor；Motor；Inverted pendulum；trol
1 方案论证
方案一：AT89C51为8位单片机，具有一定算术运算功能，编程软件灵活、自由度大；具有功耗较低、体积小、技术成熟和成本低等优点，得到了广泛应用；使用AT89C51与AD采集芯片PCF8591，通过AD采集芯片PCF8591对角度传感器信号进行采集传给单片机，单片通过PID控制算法使定时器产生变化的PWM波及波形持续时间，输入电机驱动板控制电机的转速和角度。运算速度较慢。引脚图，如下图1-1:
摘 要
本系统以atmega16为平台，主要由机械倒立装置及单片机自动控制组成，将装在摆杆的角度传感器GY-61得到的数据进行处理，利用摆杆倒立摆动过程中受力的分析和实验数据总结对摆杆板调节一定的角度，提高了倒立摆装置自动控制的稳定性。通过PWM技术动态控制电机的转速、方向和PID控制调节，实现装置设计的各种要求，达到了设计目的，完成了设计功能。