電子設(shè)計(jì)大賽旋轉(zhuǎn)倒立擺資料

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置(C題)本科組2013年9月7日摘要：設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)基于PID控制的倒立擺系統(tǒng)。選用低功耗單片機(jī)AT89C51、減速電機(jī)、電位器等器件，完成基本功能。以單片機(jī)控制減速電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變擺桿轉(zhuǎn)角，并保證讓擺桿在同一平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，最終使擺桿達(dá)到倒立（在規(guī)定的-165°至 165°范圍內(nèi)）穩(wěn)定狀態(tài)。關(guān)鍵字：AT89C51單片機(jī)；減速電機(jī)；電位器Abstract： Designed and produced an inverted pendulum system based on PID control. Choose lo

2、w power single chip microcomputer AT89C51, gear motor, potentiometer, such as device, complete the basic functions. With single-chip microcomputer control deceleration motor speed, change the swinging rod Angle theta, and ensure that the swinging rod is circular motion in the same plane, eventually

3、make the swinging rod upside down (in the rules - 165 ° to 165 °) steady state. Keywords: AT89C51、 Gear motor、 potentiometer目    錄 序.5前言.61系統(tǒng)方案 .7 1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .8 1.2方案的比較和選擇 . 10  電機(jī)的論證與選擇 . 10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的論證與選擇.11 速度控制. 

4、;12 2理論分析與計(jì)算.132.1電動(dòng)機(jī)選型 . 13 2.2擺桿狀態(tài)檢測. 152.3驅(qū)動(dòng)與控制算法 .19 3電路與程序設(shè)計(jì) .233.1電路的設(shè)計(jì) .23控制部分用51單片機(jī). 23硬件部分. 24軟件部分.24部分器件原理 . 253.2程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì). 264設(shè)計(jì)小結(jié) .305參考資料 .32 序倒立擺系統(tǒng)是理想的自動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使用它能全方位的滿足自動(dòng)控制教學(xué)的要求。許多抽象的控制概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性、系統(tǒng)收斂速

5、度和系統(tǒng)抗干擾能力等，都可以通過倒立擺直觀的表現(xiàn)出來。倒立擺系統(tǒng)具有模塊性好和品種多樣化的優(yōu)點(diǎn)，其基本模塊既可是一維直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，也可以是兩維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。通過增加角度傳感器和一節(jié)倒立擺桿，可構(gòu)成直線單節(jié)倒立擺、旋轉(zhuǎn)單節(jié)倒立擺或兩維單節(jié)倒立擺；通過增加兩節(jié)倒立擺桿和相應(yīng)的傳感器，則可構(gòu)成兩節(jié)直線倒立擺和兩節(jié)旋轉(zhuǎn)倒立擺。倒立擺的控制技巧和雜技運(yùn)動(dòng)員倒立平衡表演技巧有異曲同工之處，極富趣味性，學(xué)習(xí)自動(dòng)控制課程的學(xué)生通過使用它來驗(yàn)證所學(xué)的控制理論和算法，加深對(duì)所學(xué)課程的理解。由于倒立擺系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計(jì)和制造，成本廉價(jià)，因此在歐美發(fā)達(dá)國家的高等院校，它已成為常見的控制教學(xué)設(shè)備。同時(shí)

6、由于倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合特性，許多現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將它視為研究對(duì)象，并不斷從中發(fā)掘出新的控制理論和控制方法。因此，倒立擺系統(tǒng)也是進(jìn)行控制理論研究的理想平臺(tái)。直線運(yùn)動(dòng)型倒立擺外形美觀、緊湊、可靠性好。除了為每個(gè)子系列提供模塊化的實(shí)現(xiàn)方案外，其控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)采用開放式結(jié)構(gòu)，使學(xué)生建立不同的模型，驗(yàn)證不同的控制算法，供不同層次的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。 由于采用了運(yùn)動(dòng)控制器和伺服電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，以及齒型帶傳動(dòng)，固高公司的倒立擺系統(tǒng)還是一個(gè)典型的機(jī)電一體化教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以用來進(jìn)行各種電機(jī)拖動(dòng)、定位和速度跟蹤控制實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生理解和掌握機(jī)電一體化產(chǎn)品的部件特

7、征和系統(tǒng)集成方法。前 言設(shè)計(jì)任務(wù)說明：我們小組研制的二級(jí)旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)，是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，采用電位器和減速電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制。二級(jí)旋轉(zhuǎn)式倒立擺，及其功能擴(kuò)展后的位置伺服系統(tǒng)。由于倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合等特性，許多控制理論的研究人員一直將它作為研究對(duì)象，并不斷從中發(fā)掘出新的控制理論和控制方法，相關(guān)的成果在航天科技和機(jī)器人學(xué)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。因此，倒立擺設(shè)備也是進(jìn)行控制理論研究的理想平臺(tái)。 二級(jí)旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)可以方便地構(gòu)成一個(gè)位置控制系統(tǒng)的被控對(duì)象，并配置由運(yùn)算放大器組成的校正網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)箱，構(gòu)成位置控制系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)典控制理論（調(diào)節(jié)原理）的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。也可用

8、VC+6.0實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)算放大器校正網(wǎng)絡(luò)的功能。通過微機(jī)配置的調(diào)節(jié)原理實(shí)驗(yàn)軟件，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、時(shí)域特性、頻域特性分析和品質(zhì)校正的實(shí)驗(yàn)。此外，配置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等課程的相關(guān)軟件，用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)類課程的實(shí)驗(yàn)。 綜上所述，二級(jí)旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)的系列產(chǎn)品是一個(gè)多功能的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有利于系統(tǒng)的小型化，控制更加快速，抗干擾性強(qiáng)，控制品質(zhì)有很大提高，可用于多門課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。 簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（C題）【本科組】基本要求：（1）擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)（擺角0°）開始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動(dòng)，并盡快使擺角達(dá)到或超過-60° +6

9、0°；（2）從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動(dòng)幅度，直至完成圓周運(yùn)動(dòng)；（3）在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近165°位置，外力撤除同時(shí)，啟動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不大于90°。發(fā)揮部分：（1）從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于10s；（2）在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或2s內(nèi)恢復(fù)倒立狀態(tài)；（3）在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動(dòng)，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過角度達(dá)到或超過360°；（4）其他1.系統(tǒng)方案 本

10、系統(tǒng)要求電機(jī)能夠精確控制擺桿隨旋轉(zhuǎn)臂上的旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)的角度而轉(zhuǎn)動(dòng)，故使用電位器、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)控制等模塊實(shí)現(xiàn)符合題目要求的設(shè)計(jì)，下面分別論證對(duì)于這幾個(gè)模塊的選擇。1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二級(jí)旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)由直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，能夠獨(dú)立執(zhí)行實(shí)時(shí)控制算法，脫離計(jì)算機(jī)直接運(yùn)行；也可以通過RS-232C串行通訊接口用計(jì)算機(jī)控制，進(jìn)行在線控制算法調(diào)試，是具有獨(dú)立控制能力和標(biāo)準(zhǔn)通訊接口的專用智能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。它的DSP部分、電源與電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分全部安裝在機(jī)箱內(nèi)，采用這樣封閉式的結(jié)構(gòu)，不易人為損壞。運(yùn)動(dòng)部分安裝在機(jī)箱上，整體結(jié)構(gòu)比較緊湊、合理。圖1是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的組成

11、框圖及工作原理如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)框圖鍵盤AT89C51單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)臂 圖3、機(jī)械結(jié)構(gòu)圖12方案的比較與選擇1.21電機(jī)的論證與選擇 方案一：直流電機(jī)。直流電機(jī)是定義輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。啟動(dòng)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、易于快速啟動(dòng)、停止。然而直流電機(jī)的缺點(diǎn)是不能精確的控制轉(zhuǎn)角。 方案二：模擬

12、舵機(jī)。模擬舵機(jī)在空載時(shí)，沒有動(dòng)力被傳到舵機(jī)馬達(dá)。當(dāng)有信號(hào)輸入使舵機(jī)移動(dòng)，或者舵機(jī)的搖臂受到外力的時(shí)候，舵機(jī)會(huì)作出反應(yīng)，向舵機(jī)馬達(dá)傳動(dòng)動(dòng)力(電壓)。這種動(dòng)力實(shí)際上每秒傳遞50次，被調(diào)制成開/關(guān)脈沖的最大電壓，并產(chǎn)生小段小段的動(dòng)力。當(dāng)加大每一個(gè)脈沖的寬度的時(shí)候，如電子變速器的效能就會(huì)出現(xiàn)，直到最大的動(dòng)力/電壓被傳送到馬達(dá)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)使舵機(jī)搖臂指到一個(gè)新的位置。然后，當(dāng)舵機(jī)電位器告訴電子部分它已經(jīng)到達(dá)指定的位置，那么動(dòng)力脈沖就會(huì)減小脈沖寬度，并使馬達(dá)減速。直到?jīng)]有任何動(dòng)力輸入，馬達(dá)完全停止。模擬舵機(jī)的“缺點(diǎn)”是：當(dāng)給予一個(gè)短促的動(dòng)力脈沖，緊接著很長的停頓，并不能給馬達(dá)施加多少激勵(lì)，使其轉(zhuǎn)動(dòng)。這意味著如

13、果有一個(gè)比較小的控制動(dòng)作，舵機(jī)就會(huì)發(fā)送很小的初始脈沖到馬達(dá)。對(duì)于本題中所需求的微小角度則不適合用模擬舵機(jī)控制。 方案三：行星減速步進(jìn)電機(jī)。行星減速機(jī)具有高剛性，高精度(單級(jí)可做到1分以內(nèi))，高傳動(dòng)效率(單級(jí)在97%-98%)，高的扭矩/體積比，終身免維護(hù)等特點(diǎn)。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，行星減速機(jī)多數(shù)是安裝在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上，用來降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，匹配慣量。 綜合以上三種方案，選擇方案一。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的論證與選擇方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。

14、 方案二：采用集成電路驅(qū)動(dòng)芯片L298N，L298N內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)46v,2A以下電機(jī),1和15腳可單獨(dú)引出接電流采樣電阻器,形成電流傳感信號(hào)，同時(shí)通過單片機(jī)控制產(chǎn)生PWM波，精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，穩(wěn)定性高。 方案三：采用互補(bǔ)硅功率達(dá)林頓管TIP142T實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng),采用該方法電路連接比較簡單，穩(wěn)定性好，成本低廉，但不足之處是由于使用分立元件，安裝和調(diào)試相對(duì)麻煩。基于上述理論分析，本系統(tǒng)采用方案二作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2-2所示。速度控制我們對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行了比較：  方案一：采用

15、D/A變換電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)電壓的模擬量。再利用平的高低達(dá)到調(diào)速的目的。原理框圖如圖1所示。本方案達(dá)到了利用CPU輸出的數(shù)字量精確控制模擬量的目的。但愿電路比較復(fù)雜，成本較高。方案二：采用脈寬調(diào)制方式（PWM）從I/O口輸出不同占空比的脈沖，經(jīng)濾波后獲得不同甘共苦高低電平控制電機(jī)。本方案可以達(dá)到對(duì)速度的控制要求，且控制簡單易實(shí)現(xiàn)。 通過比較明顯方案二最單潔清晰、容易實(shí)現(xiàn)、速度快、精度高。從系統(tǒng)指標(biāo)要求來看，對(duì)速度要求較高，低速與高速之間差別較大，且準(zhǔn)確度要求高，各個(gè)速度之間的切換也要求簡單、迅速。采用方案二可利用單片機(jī)運(yùn)行速度快的特點(diǎn)進(jìn)行速度的快速調(diào)整，且方案二速度準(zhǔn)確度高、

16、級(jí)數(shù)多容易達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)要求，所以我們選用方案二作為控制部分具體實(shí)施的方案。2理論分析與計(jì)算2.1電動(dòng)機(jī)選型1. 采用光電編碼器完成反饋控制的原理如圖1所示。光電編碼器與電動(dòng)機(jī)主軸直接聯(lián)接,從而使編碼器轉(zhuǎn)電機(jī)完全一致。其工作原理是:光電編碼器隨電機(jī)旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正(相B)相差90°相位角的正交編碼脈沖。如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn),否則為反轉(zhuǎn)。A線用來測量脈沖個(gè)數(shù), B線與A線配合可測量出轉(zhuǎn)動(dòng)方向。由此可測出電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。但編碼器脈沖的不均勻性對(duì)測速精度的影響很大。低速時(shí)輸出脈沖數(shù)較少,按一般的方法應(yīng)用很難保證精確性。普通的編碼器的制造偏差在0.5%左右，如果不加

17、以處理，將會(huì)大大影響測速精度2. PID控制器問世至今已有近60年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，便最適合用PID控制技術(shù)。下圖為直流電機(jī)的調(diào)速原理圖：給定速度n0(t)與實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較n(t)，其差值e(t)=n0(t)-n(t)，經(jīng)過PID控制器調(diào)整后輸出電壓控制信號(hào)u(

18、t)，u(t)經(jīng)過功率放大后，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)改變其轉(zhuǎn)速。3電機(jī)選型方案一：直流電機(jī)。直流電機(jī)是定義輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。啟動(dòng)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、易于快速啟動(dòng)、停止。然而直流電機(jī)的缺點(diǎn)是不能精確的控制轉(zhuǎn)角。 方案二：模擬舵機(jī)。模擬舵機(jī)在空載時(shí)，沒有動(dòng)力被傳到舵機(jī)馬達(dá)。當(dāng)有信號(hào)輸入使舵機(jī)移動(dòng)，或者舵機(jī)的搖臂受到外力的時(shí)候，舵機(jī)會(huì)作出

19、反應(yīng)，向舵機(jī)馬達(dá)傳動(dòng)動(dòng)力(電壓)。這種動(dòng)力實(shí)際上每秒傳遞50次，被調(diào)制成開/關(guān)脈沖的最大電壓，并產(chǎn)生小段小段的動(dòng)力。當(dāng)加大每一個(gè)脈沖的寬度的時(shí)候，如電子變速器的效能就會(huì)出現(xiàn)，直到最大的動(dòng)力/電壓被傳送到馬達(dá)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)使舵機(jī)搖臂指到一個(gè)新的位置。然后，當(dāng)舵機(jī)電位器告訴電子部分它已經(jīng)到達(dá)指定的位置，那么動(dòng)力脈沖就會(huì)減小脈沖寬度，并使馬達(dá)減速。直到?jīng)]有任何動(dòng)力輸入，馬達(dá)完全停止。模擬舵機(jī)的“缺點(diǎn)”是：當(dāng)給予一個(gè)短促的動(dòng)力脈沖，緊接著很長的停頓，并不能給馬達(dá)施加多少激勵(lì)，使其轉(zhuǎn)動(dòng)。這意味著如果有一個(gè)比較小的控制動(dòng)作，舵機(jī)就會(huì)發(fā)送很小的初始脈沖到馬達(dá)。對(duì)于本題中所需求的微小角度則不適合用模擬舵機(jī)控制。&

20、#160;方案三：行星減速步進(jìn)電機(jī)。行星減速機(jī)具有高剛性，高精度(單級(jí)可做到1分以內(nèi))，高傳動(dòng)效率(單級(jí)在97%-98%)，高的扭矩/體積比，終身免維護(hù)等特點(diǎn)。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，行星減速機(jī)多數(shù)是安裝在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上，用來降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，匹配慣量。 綜合以上三種方案，選擇方案一。2.2擺桿狀態(tài)檢測下面我們對(duì)這個(gè)系統(tǒng)作一下受力分析。下圖3是系統(tǒng)中擺桿的受力分析圖。其中和為旋轉(zhuǎn)臂與擺桿相互作用力的水平和垂直方向的分量。注意：在實(shí)際倒立擺系統(tǒng)中檢測和執(zhí)行裝置的正負(fù)方向已經(jīng)完全確定，因而矢量方向定義如圖，圖示方向?yàn)槭噶空较颉?圖 3倒立擺模型受力分析系統(tǒng)的第一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程： （1）為了推

21、出系統(tǒng)的第二個(gè)運(yùn)動(dòng)方程，我們對(duì)擺桿垂直方向上的合力進(jìn)行分析，可以得到下面方程：力矩平衡方程如下：注意：此方程中力矩的方向，由于，故等式前面有負(fù)號(hào)。合并這兩個(gè)方程，約去和，由得到第二個(gè)運(yùn)動(dòng)方程： （2）設(shè)（是擺桿與垂直向上方向之間的夾角），假設(shè)與1（單位是弧度）相比很小，即1，則可以進(jìn)行近似處理：，。用來代表被控對(duì)象的輸入力，線性化后兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方程如下： （3）參數(shù)可行性計(jì)算：轉(zhuǎn)軸承受應(yīng)力：t=T/W=T/0.2d3=3.15N/mm<t45號(hào)剛 t=29.439.2懸臂承受應(yīng)力: (屈服應(yīng)力)=F/A=1.63Mpa< =140Mpa電機(jī)扭矩M=FL=0.588Nm<0.627

22、NmMf=0.627Nm倒立擺的開機(jī)操作及電位器零位調(diào)整方法倒立擺放在平整的桌面上，在桌子的附近要有一臺(tái)電腦。拿出電源線，首先插好電源線，然后用內(nèi)六角扳手把固定擺桿和懸臂的夾箍松開。再檢查有無螺絲松動(dòng)，若有螺絲松動(dòng)請(qǐng)上緊！打開倒立擺的電源，打開電源的同時(shí)最好用手扶助擺桿，當(dāng)擺桿和懸臂打到倒立擺黑色固定限位墊圈時(shí)等待大概30秒的時(shí)間懸臂開始震動(dòng)，此時(shí)用手輕輕的扶助懸臂和擺桿到倒立的位置，倒立擺就可以正常工作了。3、以上操作倒立擺不能正常工作，此時(shí)可以關(guān)掉電源然后重新打開電源，再重復(fù)以上的操作。如果多次開關(guān)機(jī)后仍然不能正常工作，可以判斷電位器的零位不對(duì)，需要調(diào)整倒立擺電位器的零位。以下重點(diǎn)介紹電位

23、器的零位調(diào)整方法：首先關(guān)掉電源，然后放倒倒立擺打開倒立擺的底蓋，拔掉電源板上電機(jī)線插頭（電源板上有散熱器很好確認(rèn)，電機(jī)線插頭在集成塊A3952附近，兩芯的大插頭）。松開倒立擺的電位器固定螺絲參照?qǐng)D4：A、B、C、D、E五個(gè)螺絲然后用一字螺絲刀調(diào)整電位器調(diào)節(jié)處T1、T2就行了。 注： 倒立擺電位器零位調(diào)整參照?qǐng)D（先松開A、B、C、D、E等5個(gè)電位器固定螺絲，再調(diào)T1、T2電位器調(diào)節(jié)處1.打開倒立擺的電源觀察PC上顯示的和倒立擺實(shí)際的位置是否一致，如果不一致調(diào)節(jié)T1、T2使得倒立擺實(shí)際的位置和PC中顯示的位置一樣就行了。2.調(diào)節(jié)完畢后固定螺絲，固定時(shí)千萬要小心先固定B然后固定C、D、E最后固定A。

24、3.螺絲固定后，看此時(shí)倒立擺的擺桿和懸臂位置是否和PC顯示的一致，若此時(shí)還是一致說明電位器的零位調(diào)節(jié)成功！關(guān)掉倒立擺電源。4.插上電源板上電機(jī)插頭（紅、黑兩色），上好底蓋。5.打開倒立擺此時(shí)倒立擺應(yīng)該能正常工作了。2.3驅(qū)動(dòng)與控制算法一級(jí)旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)由一個(gè)水平旋臂和一級(jí)擺桿組成，旋臂由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在水平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，通過耦合作用帶動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)一級(jí)旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)中，旋臂的長度和質(zhì)量分別為L。、m。，相對(duì)其水平方向零位的角位移為0 1，角速度為反，擺桿的長度和質(zhì)量分別為L2、m2，相對(duì)其豎直方向零位的角位移為秒2，角速度為分：，電位器質(zhì)量為In3。建立如圖2-1所示坐標(biāo)系。Y 圖21旋轉(zhuǎn)式

25、倒立擺參考坐標(biāo)系1系統(tǒng)總動(dòng)能(1)擺桿動(dòng)能旋臂和擺桿的連接點(diǎn)為B。對(duì)于距B點(diǎn)Z2處、長為dl的-4,段，其坐標(biāo)為：（2）懸臂動(dòng)能（3）旋臂與擺桿連接處電位器動(dòng)能2系統(tǒng)總勢(shì)能以擺桿自然下垂時(shí)質(zhì)心所在平面為零勢(shì)能面，則系統(tǒng)的總勢(shì)能為：控制算法1PID控制通常的做法是通過對(duì)倒立擺系統(tǒng)物理模型進(jìn)行力學(xué)分析，建立其動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)出PID控制器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。但是由于PID參數(shù)的選擇通常采用嘗試法進(jìn)行，、根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)不斷嘗試設(shè)定，因此往往不能從推理上給出令人滿意的設(shè)計(jì)方案。2現(xiàn)代控制算法現(xiàn)代控制算法是通過分析倒立擺數(shù)學(xué)模型，建立其動(dòng)力學(xué)模型，然后利用狀態(tài)空間理論推導(dǎo)出狀態(tài)方程和輸出方程51。利用現(xiàn)代控

26、制理論可以設(shè)計(jì)一個(gè)基于狀態(tài)反饋的控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行極點(diǎn)配置，或基于線性二次型最優(yōu)的控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)在零點(diǎn)附近保持平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)【161。由于這種方法是以線性化后的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)偏離平衡點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，將不滿足線性化條件，此時(shí)應(yīng)用現(xiàn)代控制理論對(duì)倒立擺進(jìn)行控制將遇到困難，系統(tǒng)很難穩(wěn)定。3可拓控制算法可拓控制最早是由我國的王行愚教授于1991年提出的，其基本思想是：從信息轉(zhuǎn)換的角度去處理控制問題，即以控制輸出信息的合格度(關(guān)聯(lián)度)作為確定輸入矯正量的依據(jù)，從而使被控信息轉(zhuǎn)換到合格范圍內(nèi)【7】。目前國內(nèi)外對(duì)可拓控制的研究還處于初始階段，成果還不是很多，不過已經(jīng)建立了可拓控制的基本理論和方法，隨著研究

27、的不斷深入，它將會(huì)為人們解決復(fù)雜控制系統(tǒng)中的難題提供一種有效的方法。4其它智能控制算法如模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、遺傳控制算法等。另外，在倒立擺系統(tǒng)實(shí)際控制中，也常采用幾種控制算法相結(jié)合的控制方式，這樣可以充分利用各控制算法的優(yōu)越性，來實(shí)現(xiàn)一種組合式的控制方法。5.PID算法3電路與程序設(shè)計(jì) 3.1電路設(shè)計(jì)31.1控制部分使用51單片機(jī)電路圖如下圖所示：、硬件部分1. 以控制器為核心器件， 這是TI公司專門為電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的片內(nèi)外設(shè)模塊。能夠獨(dú)立執(zhí)行實(shí)時(shí)控制算法，也可以通過RS-232C串行總線與計(jì)算機(jī)通訊。其主要的性能指標(biāo)如下：1) 高速靜態(tài)CMOS工

28、藝，16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，50ns指令周期。2) 224K ×16位字的尋址能力（程序、局部數(shù)據(jù)、IO各64K，全局?jǐn)?shù)據(jù)32K），544字×16位片內(nèi)數(shù)據(jù)/程序雙口（Dual-Access）RAM，16K字×16位片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器（FLASH）。3) 雙10位ADC單元，各有8路輸入，能夠在10s內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路轉(zhuǎn)換。4) 12路比較/脈沖調(diào)寬（PWM）輸出，直接針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。5) 串行通訊接口：支持RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊。6) 具有可編程中斷系統(tǒng)、事件管理模塊、看門狗電路、鎖相環(huán)時(shí)鐘及基于掃描的仿真接口（JTAG標(biāo)準(zhǔn)）。2. 20V直流穩(wěn)壓電源由集成

29、電路LM317提供，輸出電流可達(dá)1.5A， 5V 直流穩(wěn)壓電源由集成電路7805提供。3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用PWM工作方式的芯片A3952SW。將DSP單元送出的PWM和DIR信號(hào)進(jìn)行合成放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。4. 變壓器型號(hào)R80，功率72W，空載電流7mA，頻率50Hz，初級(jí)輸入電壓220v。5. 與計(jì)算機(jī)通訊，采用RS-232串行通訊接口。、軟件部分軟件系統(tǒng)包括DSP和PC兩個(gè)部分。1. PC軟件編程語言 Microsoft VC+ 6.0。2. 控制周期是10ms，界面上的顯示刷新周期是50ms。3. DSP軟件編程利用CC編譯器。4. 提供以下兩種基本的運(yùn)行方式： 1) 聯(lián)機(jī)調(diào)試方式：

30、由PC進(jìn)行控制，DSP只是作為PC的采樣和控制輸出接口單元使用，自身不進(jìn)行算法處理。2) 脫機(jī)運(yùn)行方式：由DSP獨(dú)立進(jìn)行控制，此時(shí)，DSP仍然可以利用串行通訊接口將實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)發(fā)送到PC中，但是，PC只是用作觀測、分析運(yùn)行數(shù)據(jù)。5. 具有良好的人-機(jī)界面，可以很方便地進(jìn)行算法調(diào)試。、部分器件原理（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理（2）電位器原理（3）步進(jìn)電機(jī)3.2程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制核心程序#include<SST89X5XXRD2H>#include<mathh>#define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit

31、DCLK=P2A0；sbit DOUT=P2“1：sbit DCS=P2"2；sbit PWM=P13：sbit DIR=P23；int en0，enl，en2，DATA；int SumE,d_term,i_term；longintCn；uchar K，Ki，Kd；uchar PID_flag,motor_flag；void motor()void delay(uint x)for(；xt=0；x-)；voidinit()K=75：Ki=70；Kd=2；en=0；1-en2=0；Cn=i_term=d term=0；SumE=0；motor_flag-0；CMOD=0x02；設(shè)置PC

32、A定時(shí)器Cl卸x00；CH=0x00；CCAPOL=0；CCAPM0-=0x42； 5tt PCA模塊0工作在PWM模式CR=I； 啟動(dòng)PCA定時(shí)器void timer_init()TMOD=0x01；EA=I；E爪聲l：74TH0=(65536-15625)256；TL0=(65536-15625)256；TR0=l；)void timerO(void)interrupt 1TH0=(65536-1 5625)256；TL0=(65536-15625)256；PID_flag=l；void PID()，設(shè)置采樣頻率為“HZ，啟動(dòng)定時(shí)器0i_termffid_termffiO；enl)=-20

33、48-DATA；SumE-SumE+en0； 計(jì)算誤差項(xiàng)之和SumEif(SumE,>10000) 檢測SumE是否太大SumE-1 0000；if(SumE<-10000) 檢測SumE是否太小SumE=-10000；i term=SumE>>6； 計(jì)算SumETf,"I f為64Hzi-tenlI+=Ki；計(jì)算積分項(xiàng)dterm=en0-en2；if(d_term>60)檢測是否太大d_term=60；if(d_term<-60)僉測是否太小d_term=-60；d_term奉2Kd；dterm*-32；所f算微分項(xiàng)if(d_term>20

34、00) 一d_term=2000；if(d_term<-2000)d_term；2000；Cn=en0*K； 比例項(xiàng)Cl巾Uerm+d_term；en2=enI；enI=enO；en0=O；motor()；)void motor()motor_flag：0；75if(DATA>2250)motor_flag=1；if(DATA<1850)motor flag=l；Cn>4：if(Cn>255)Cn-255；if(Cn<-255)Cn=-255； if(motor_fl卿)iffCn>0)DIR=0； 電機(jī)反轉(zhuǎn)CCAPOH-255-CII：'if

35、(Cn<0)DIR=I； ，電機(jī)正轉(zhuǎn)Cn=-Cn；CCAPOH-'255-Cn：)voidADC()inti：DAlA=o；DCLK=0；DCS=0；DCLK=I；DCLK=0；DCLK=I；DCLK=0；DCLK=I；DOUT=I；for(i-1；i<=12；i+)(DCLK=O；DCLK=1；delay(3)；DATA<<=I；DATAFDOUTDeS-I； voidmain()initO；timer_init0；while(1)If（PID_flag=。1)ADC0；PIDO；PID_flag=0；)4設(shè)計(jì)小結(jié)1. 過程總結(jié)剛開始拿到任務(wù)的時(shí)候，我們很彷徨

36、，完全不知道該如何去設(shè)計(jì)。從網(wǎng)上不斷查資料，只是知道了這個(gè)裝備的工作原理，但是毫無設(shè)計(jì)思路。期間，不曾一次想放棄，換一個(gè)更加簡單的題目。但是由于不想放棄這一次親自動(dòng)手的機(jī)會(huì)，我們并未更換題目，而是堅(jiān)持做這個(gè)題目。在迷茫中，我們一直躑躅，感覺以我們現(xiàn)在的能力不可能獨(dú)立完成這個(gè)任務(wù)。但是，在制作過程中，我們漸漸明白了這個(gè)機(jī)構(gòu)的工作原理，以及有了設(shè)計(jì)思路。第一次設(shè)計(jì)過程中，我們摸索著只制作了一個(gè)一級(jí)的倒立擺。盡管老師批準(zhǔn)了我們可以做這個(gè)，我們這時(shí)卻已經(jīng)明白了設(shè)計(jì)的理念，覺得這樣太簡單了，一是不符合開始的規(guī)定要求，其次也讓我們工作的成就感大打折扣。盡管已經(jīng)完成了裝配圖，我們毫不猶豫的把整張圖都擦掉了，并且從新畫了一份新的裝配圖。盡管過程中不管有細(xì)節(jié)需要修改，但是我們卻越來越有信心。每一次解決一個(gè)設(shè)計(jì)難題，我們的心里都會(huì)有莫大的成就感。隨著裝配圖的最終成型，我們的勝利的喜悅感油然而生。我們這個(gè)機(jī)構(gòu)的零件圖很簡單，不怎么