一阶环形倒立摆毕业论文.doc

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)摘 要倒立摆稳定控制是一个经典的控制问题。作为典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定系统 ,一直是控制理论与应用的热点问题 ,不但是验证现代控制理论方法的典型实验装置 ,而且其控制方法和思路在一般工业过程亦有广泛的用途 ,因此倒立摆系统的研究具有重要的理论研究和实际应用价值。许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等 ,都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。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使得许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象。他们不断从研究倒立摆控制方法中发掘出新的控制

2、方法 , 并将其应用于航天科技和机器人学等各种高新科技领域。本文以利用电位器检测角度的一阶倒立摆系统作为研究对象 ,研究了其在摆角信号含有大噪声的情况下的平衡稳定控制问题 ,这对解决实际工程中的相关问题有一定的指导意义。本文首先设计了一阶环形倒立摆的模型。使用电位器作为姿态测量传感器不断测量摆杆的的姿态信息，通过转换这些模拟信息传送给作为控制核心的 8 位单片机，经过数据处理后，单片机通过驱动电路将控制信号以 PWM 方式去驱动直流电机的，达到调节摆杆姿态的目的。在设计的基础上，通过牛顿力学对这个系统进行数学建模，得到系统的状态空间方程。通过这个建模的过程，可以看出这个系统是一个不稳定的非线性

3、系统，也为后面的控制理论分析打下基础。对该系统姿态的测量将直接影响自平衡控制算法的效果。本文提出了基于卡尔曼滤波的传感器数据融合方法，弥补了电位器在倾角测量时的不足。通过建立一个实验平台来检验这个算法的有效性，实际测试中该算法取得了不错的效果。本文主要研究自平衡运动的动态控制，利用 PID 控制，使系统的各项性能指标均满足预期的要求。关键词：倒立摆；自平衡；数据融合；PID 控制1ABSTRACTInverted pendulum stability control is a classic control problem。Asa complex, time-varying, nonlinea

4、r, strong coupling, natural unstable and of control. The control method of Inverted Pendulum used in the mil itary, aerospace, general industrial robots and industry process control Therefore, the research on mathematical model of work rolls thermal cro wn be intuitive show by inverted pendulum syst

5、em. Inverted pendulum system of modern control theory see it as the research object. They unearthed from the inverted pendulum control method of new control method, and applied to all kinds of new and this paper using potentio meter detection Angle of the first-order inverted pendulum system as the

6、research object, studied the angular signal contains large noise under the condition of equilibrium stability control problem, this to solve releva nt problems in the actual project to guiding significance. This article fi rst first-order model of annular inverted pendulum is designed. Using po tent

7、iometer as attitude measuring sensor measuring constantly swinging r od posture information, By converting the analog information transmitte d to 8-bit single chip microcomputer as control core, After data processi ng, In order to tracking, one piece microcomputer control step motor byway of identif

8、ication and judgment of sensing signal to operate mechan ical drive system.SCM through the drive circuit on the basis of the design, by Newt onian mechanics to mathematical modeling of the system, the system sta te space equation is obtained. Through the modeling process, we can se e that this syste

9、m is an unstable nonlinear system, lays the foundation for the back of the control theory analysis control signal to drive motor with PWMway.This paper mainly studies the dynamic balance movement control, using PID control, the system of various performance indicators meet th e expected requirementK

10、EYWORDS: Inverted pendulum; Self-balancing; Data fusion; PID control目 录第一章绪论.11.1课题研究的目的和意义 .11.2发展历史与研究现状 .21.3本文研究的主要内容 .3第二章倒立摆系统建模和定性分析 .42.1倒立摆系统特性分析 .42.2环形一级倒立摆系统数学模型 .6第三章倒立摆的硬件设计 .83.1整体电路框图 .83.2单片机最小系统电路 .83.2.1单片机介绍 .83.2.2单片机最小系统 .103.3姿态传感器电路 .113.3.1角位移传感器 .113.3.2姿态传感器电路 .123.4电机驱动电路

11、 .133.5电源电路 .14第四章倒立摆的软件设计 .154.1软件功能与框架 .154.2单片机的资源配置 .154.3主函数功能 .184.4主要算法及实现 .184.4.1角度函数 .184.4.2倒立控制函数 .19第五章 上位机修改参数 .215.1串口猎人使用方法 .215.1.1基本收码发码 .215.1.2高级发码 .215.1.3高级收码 .225.1.4波形显示 .235.2下位机程序设计 .235.2.1下位机的高级发码程序设计 .235.2.2下位机的高级收码程序设计 .255.3 上位机修改参数 .25第六章系统调试 .276.1初步调试 .286.1.1上电检查

12、.286.1.2单片机程序下载和通信 .286.1.3测试 PWM输出 .286.1.4姿态传感器采集 .286.2倒立控制调试 .296.2.1测量传感器零点偏移量 .296.2.2标定角位移传感器比例值 .296.3倒立控制参数整定 .306.4电机死区常数整定 .30第七章总结与展望 .317.1工作总结 .317.2不足与展望 .317.2.1不足 .317.2.2展望 .32附录一电路原理图 .33附录二程序代码 .35参考文献 .38致 谢 .39第一章绪论1.1 课题研究的目的和意义20 世纪 50 年代 ,控制理论专家开始了对倒立摆系统的研究。第一台一级倒立摆系统的实验装置是根

13、据火箭发射助推器的原理设计的。此后研究人员参照双足机器人的控制系统设计出了二级倒立摆 ,随着控制策略研究的深入 , 依次出现了三级摆、四级摆。依据基座的运动形式 ,倒立摆系统主要分为三大类:直线倒立摆、环形倒立摆和平面倒立摆 ,其中平面倒立摆是倒立摆系统中最复杂的一类。2005 年 7 月,北京师范大学复杂系统智能控制实验室在李洪兴教授的带领下采用“变论域自适应模糊控制理论”成功实现了对平面三级倒立摆实物系统的控制 ,这代表了世界范围内平面倒立摆系统领域的最先水平。倒立摆系统的控制策略与杂技表演顶杆的控制技巧相似 ,很多抽象的控制理论都能够通过倒立摆控制系统来表现 ,比如系统的稳定性、 鲁棒性

14、等 ,因此倒立摆系统因其成本低廉、结构简单等优点 ,成为验证某一控制理论或控制方法的理想实验平台。倒立摆系统是一种典型的多变量、非线性、强耦合、高阶次的自然不稳定系统 ,它的控制目标就是实现倒立摆系统各摆杆的平衡 ,使之没有过大震荡 ,并在加入随机扰动的情况下系统能够在扰动消失后迅速恢复平衡状态。倒立摆系统的这种特性 ,使它成为进行控制理论研究的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能够有效的反映控制领域中的许多典型问题 :如非线性、鲁棒性、随动性、稳定性问题等。现阶段检验某种控制方法或控制理论是否有较强的解决非线性和不稳定性问题的能力 ,一般都通过对倒立摆系统控制的研究来实现 ,倒立摆的研究不仅有

15、其深刻的理论意义 ,同时还有重要的工程背景。 从日常生活中所见到的空间飞行器和各种伺服云台的稳定 ,到任何重心在上、支点在下的控制问题 ,都类似于倒立摆的控制 ,故对倒立摆系统的稳定控制研究在实际中有很多应用 ,如火箭发射、海上钻井平台以及卫星发射架的稳定控制、化工过程控制、控制飞机安全着陆等都属于这类问题。 由于其运动过程与人类的行走姿态相似 ,而其平衡控制又与火箭飞行的控制类似 ,致使倒立摆系统的研究在直升机的飞行控制、火箭发射过程中的姿态控制、双足机器人的直立行走控制等领域中具有重要的现实意义。随着现代控制理论的发展 ,倒立摆系统研究的相关科研成果己广泛应用于机器人、军工、航天科技及一般

16、工业过程等诸多领域。1.2 发展历史与研究现状国际上最早报道倒立摆的研究论文是 Bryson A . E.等于 1970 年撰写的 Thesynthesis of regulator logic using state-variable control和 Mori.S 等于 1976 年撰写的 Control of unstable mechanical system-control of pendulum,该两篇文章中均应用极点配置法对倒立摆系统进行稳定性控制研究,获得满意的结果。我国最早有关倒立摆系统的研究文章是西安交通大学的尹征琦教授1985年发表在信息与控制的论文“采用模拟调节器的二级

17、倒立摆的控制”。该文采用降阶观测器这样简单的模拟控制器, 实现了对二级倒立摆的控制,系统受到大的干扰或人为改变实际模型参数时, 能非常稳定的工作。这一研究成果激发了我国控制学界的强烈兴趣,倒立摆系统的控制研究逐渐成为我国控制学界的热门领域。各种研究成果不断涌现,其中以北京师范大学李洪兴教授领导的复杂系统智能控制实验室成果最为骄人。他们首先致力于研究一至四级直线型倒立摆实物系统的起摆和稳定实时控制,于 2002 年 8 月在世界上首次成功实现四级倒立摆实物系统起摆和稳定控制;然后又将研究目光瞄准更加复杂难控的平面倒立摆系统,将变论域自适应模糊控制理论结合最优控制理论和经典 PID 控制理论的某些

18、特点扩展为具有高维 PID 调节功能的变论域自适应控制理论 ,并将该理论应用于平面运动二级倒立摆实物系统控制研究 ,于 2003 年 3 月 25 日成功实现了平面运动二级倒立摆实物系统控制。该项成果已达到国际先进水平甚至国际领先水平。此外 ,以中国科学院易建强等、清华大学王中大等、中国科学技术大学张冬军等、上海交通大学付莹、哈尔滨工业大学柏桂珍等为代表的研究团队均在倒立摆系统的控制研究方面取得了重要的突破性成就。研究对象涵盖直线型一级到四级倒立摆的起摆和稳定控制,倾斜轨道的直线三级倒立摆、平面倒立摆、圆轨 ( 环形 ) 倒立摆等 , 控制理论从经典的传递函数、 频率特性、根轨迹为基础的频域分

19、析方法 , 发展到 PID、自适应、状态反馈、 LQR最优控制、滑模变结构控制、智能控制、模糊控制及人工神经元网络。1.3 本文研究的主要内容一阶环形倒立摆系统是一种欠驱动机械系统，本文所研究的内容是：能否通过对电机转速和方向的控制，保持摆杆倒立的状态。对于该问题，根据经验和直觉是难以判断出来的。因此，需要对该系统建模，然后利用现代控制理论的方法进行系统的可控性的研究。本文运用经典力学理论首先建立倒立摆系统的运动力学方程，然后通过分析，推出一阶环形倒立摆的数学模型。根据分析运用PID 控制算法，调试系统实现稳定倒立功能。第二章倒立摆系统建模和定性分析2.1 倒立摆系统特性分析倒立摆系统是典型的

20、机械电子系统。无论那种类型的倒立摆系统都有如下特性：(l)藕合性。倒立摆摆杆之间都是强藕合的。 这既是使得控制器参数调节、控制系统的设计变得复杂的原因 ,也是采用单电机驱动倒立摆系统的原因。(2)开环不稳定系统。倒立摆系统有两个平衡状态:竖直向上和竖直向下。开环状态即倒立摆竖直向上的状态,微小的扰动都会使系统进入到竖直向下的状态中 ,所以是系统不稳定的平衡点,竖直向下的状态是系统稳定的平衡点。(3 放射非线性系统。倒立摆控制系统可以应用微分几何方法进行分析,因为它是一种典型的放射非线性系统。(4)不确定性。主要是指测量噪声、建立系统数学模型时的参数误差以及机械传动过程中的非线性因素所导致的难以

21、量化的部分。(5)欠冗余性。倒立摆控制系统采用单电机驱动 ,因而它与冗余机构 ,有较大的不同。之所以采用欠冗余的设计是为了节约有效的空间及经济成本而且是在不失系统可靠性的前提下进行 ,研究者往往是为了通过对倒立摆控制系统的研究来获得性能优越的新型控制器设计方法 ,并验证其有效性及其控制性能。针对上述倒立摆系统的特性,在建模时一般忽略掉系统中一些次要的难以建模的因素 ,例如摆杆连接处质量分布不均匀、伺服电机由于安装而产生的静摩擦力、空气阻力、系统连接处的松弛程度、传动齿轮的间隙等等。建模时将摆杆抽象为匀质刚体 ,这样可以通过力学原理建立一个较为精确的系统数学模型。为了研究倒立摆系统控制方法而建立

22、一个比较精确的线性系统模型是必不可少的。一般采用两种方法对倒立摆系统建模 :牛顿力学分析方法、欧拉一拉格朗日原理 (Lagrange 方程 。应用欧拉一拉格朗日原理可得如下方程：)dLLD(2 1)()q iQi， L ( q , q ) T ( q , q) V ( q , q)dtq iqi其中 ,L 为拉格朗日算子 ,Q,以是系统的广义外力 ,方向与广义坐标方向一致 ,q 为广义变量 ,q,为系统的广义坐标 ,V 是系统的势能 ,T 是系统的动能 ,D 是系统的耗散能。在建立系统数学模型过程中,实际物理系统的方向应与所定义的坐标系原点及方向对应。通过建模我们发现 ,对于一级柔性连接倒立摆

23、和一级平面倒立摆系统都有六个状态变量 ,而环形一级倒立摆有四个状态变量,环形二级倒立摆有六个状态变量。一般的 ,N 级倒立摆有 2（N+l)个状态变量。将建立的数学模型写成仿射非线性系统的形式为:xf ( x)i gi ( x)uiyh( x)(2-2)其中 ui 为系统控制量 ,x=(q,q)T 为系统状态变量 ,一般输出为 y=qt。一般情况下 ,i=1 时 ,即是单电机驱动控制系统。2.2 环形一级倒立摆系统数学模型忽略各种摩擦力、空气阻力等 , 将环形倒立摆系统抽象成水平杆和匀质摆杆组成的刚体系统。一级倒立摆的结构如图2-1 所示图 2-1 环形一级倒立摆的结构图0 为水平杆与x 轴的

24、夹角 , 1 为摆杆与垂直方向的夹角表 2-1 环形一阶倒立摆的物理参数水平杆的质量 m0水平杆绕端点的转动惯量0摆杆的质量 m1J摆杆绕质心的转动惯量1J水平杆的长度 L 0摆杆质心到转轴的距离 l1系统的拉格朗日算子：其中 T 为系统的总动能、 L 为拉格朗日算子、 v 为系统的总势能、 q 为系统的广义坐标。拉格朗日方程：d ( L )LDQi(2 -3)dt qiqiqi其中 g 为系统沿广义坐标 qi 方向上的外力。在环形一级倒立摆系统中广义坐标：（2-4）一阶倒立摆系统的动能T：（2-5）其中， T m1 为摆杆的动能、 T mo 为水平杆的动能。倒立摆水平杆的动能：TM 012（

25、2-6）2J 0 0在距系统摆杆转动中心距离l 处取一小段距离 dl,这一小段的坐标如下：开始按键值获取ADC采集（2-7）角度值计算倒立控制返回这一小段的动能：dT1 dl m ( dx) 2( dy )2( dz) 2 (2-8)2 2l11dtdtdt倒立摆系统摆杆的动能：Tm12 l1（2-9）dT0以水平杆所在的水平面为零势能面, 则系统的势能 V 即为摆杆的重力势能：VVm1m1 gl1 cos 1(2 -10)则，拉格朗日方程：d (L )Ludt00(2 -11)d (L )L0dt11其中 ,u 为水平杆上所受到的控制力矩。在倒立摆系统实物控制中, 采用水平摆杆的角加速度作为

26、输入即 : 。将上述微分方程写成 :M (q, q) qC( q, q)qG( q)(2 -12)由式（ 2-11）可知MM 11M12 ,CC11C12 ,u(2 - 13)M 21M 22C21C220系统的状态变量：，在平衡位置对系统模型进行线性化即：系统的状态空间模型：xAx Bu(2 - 14)yCx其中 ,A 为系统的状态矩阵、 B 为控制矩阵、 y 为系统的输出、 C为系统的输出矩阵由上述微分方程的 :00100000101000A000,B,C010(2 - 15)0100a42 00b4其中，。第三章倒立摆的硬件设计3.1 整体电路框图根据设计方案，倒立摆的控制系统框图如图3

27、-1 所示。图 3-1 系统硬件框图其中，角位移传感器选用WDD35D-1 角位移传感器， 该角位移传感器是模拟量输出。所以，根据控制系统的要求可以选用STC12C5410AD 单片机。3.2 单片机最小系统电路作为控制系统最重要的部分， 单片机最小系统需要采集摆杆的运动状态，并对采集的信息进行处理计算，控制电机实现摆杆的稳定倒立，同时还要完成与上位机之间的通信，所以单片机最小系统会影响车模的控制效果。3.2.1 单片机介绍STC12C5410 系列单片机是单时钟机器周期 （ 1T）的兼容 8051 内核单片机，是高速低功耗的新一代 8051 单片机，全新的流水线精简指令集结构，内部集成 MA

28、X810 专用复位电路。特点：1.增强型 1T 流水线精简指令集结构8051CPU2.工作电压： 5.5V-3.4V(5V 单片机 )3.8V2.0V(3V 单片机 )3.工作频率范围： 0 35MHz ，相当于普通 8051 的 0 420MHz ，实际工作频率可达 48MHz4.用户应用程序空间12K10K8K6K4K2K 字节5.片上集成 512 字节 RAM6.通用 IO 口（ 2723 个），复位后为：准双向口弱上拉（普通8051 传统IO 口）可设置成四种模式：准双向口弱上拉，推挽强上拉，仅为输入高阻，开漏，每个 IO 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA7.

29、ISP(在系统可编程 )IAP （在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8.EEPROM 功能9.看门狗10.内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路）11.时钟源：外部高精度晶体时钟，内部RC振荡器12.用户在下载用户程序时，可选择是使用内部RC 振荡器还是外部晶体时钟常温下内部RC 振荡器频率为： 5.2MHz-6.8MHz ，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有温漂，应认为是4MHz 8MHz13.共2 个16 位定时器计数器14.外部中断2 路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerD

30、own模式可由外部中断低15.电平触发中断方式唤醒16.PWM （ 4 路） PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4 个定时器17.也可用来再实现4 个定时器或 4 个外部中断（上升沿中断下降沿中断均可支持）18.ADC ，10 位精度 ADC ，共 8 路19.通用异步串行口（ UART ）20.SPI 同步通信口，主模式从模式STC12C5410AD 有 28 引脚和 20 引脚两种封装。图3-2 是 28 引脚的引脚分布及引脚功能图。图 3-2 单片机引脚3.2.2 单片机最小系统单片机最小系统包括振荡电路、 复位电路和指示电路， 如图 3-3 所示。图 3-3 单片机最小系统3.

31、3 姿态传感器电路3.3.1 角位移传感器本系统所使用的是精密导电塑料电位器，型号为WDD35D-4 。其标称阻值为 1K ，电阻公差 15% ，实测阻值 960。介质耐压 5OOV ，独立线性度 0.1%1% ，分辨精度为 0.1% 。理论电气旋转角 345 士 2o，机械转角 360 o。启动力矩镇 lmNm。旋转负荷寿命 50106 圈(400rmin,每隔 15min 反转 )。额定功耗 2W(70 o C)、OW(125 o C)。工作温度范围 -55125 o C。工作电压 15V。因为实际系统中摆杆的摆角在士 28 o 的范围内，因此在加上 5V 工作电压的情况下 ,电位器的输出

32、电压范围为2.2llV3.047V 。该传感器采用特殊形状的转子和线绕线圈，模拟线性可变差动传感器（LVDT ）的线性位移，有较高的可靠性和性能，转子轴的旋转运动产生线性输出信号，围绕出厂预置的零位移动60（总共 120）度。 此输出信号的相位指示离开零位的位移方向。转子的非接触式电磁耦合使产品具有无限的分辨率，即绝对测量精度可达到零点几度。图 3-4 角位移传感器主要技术参数：1.旋转位移，工作温度范围大，自带信号调节；2.免接触型传感器，适应不良环境（振动、冲击、潮湿、盐雾等，出色的温度稳定性）；3.线性（ 100% 行程）：0.250.5；4.多种范围、直流输出。3.3.2 姿态传感器电

33、路摆杆在不同角度时，利用角位移传感器测出不同的模拟电压输出，经过算法处理后可以获得摆杆的倾角，姿态传感器电路如图3-5 所示。图 3-5 姿态传感器电位器检测摆杆摆角的信号要经过许多环节的处理,最终计算出 PWM 输出脉宽控制电机转速和方向。其中,每一个环节势必会引入一定的噪声与零点漂移 ,通过检测每个环节的性能来计算出整个系统的精度是非常麻烦和复杂的。考虑到最终得到的是PWM 输出脉宽。所以我们直接测量输出PWM 值与摆杆摆角的关系。用于修改PID 的参数。3.4 电机驱动电路本系统的控制电机为直流电机，所以采用由驱动芯片BTC7970B 组成的驱动电路。 BTC7970B 大功率驱动芯片输

34、出电压为 6 到 24V，输出电流最大可达 60A，内阻为 16 毫欧，控制线电压 5V ， PWM 控制频率 25k。图 3-6 电机驱动电路BTS7970B 芯片特点：1.额定的工作温度为 -400C1500C（除非另有规定）；2.功率转化效率高可达86% ；3.采用可靠的插拔式端子结构，使用更方便。3.5 电源电路电源电路由 24V 开关电源和常用的 LM78 系列的集成稳压器件组成。 24V 电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组24V 电压。这里主要介绍 LM7805 稳压电路。 LM7805 外围电路简单，具有大电流输出（约 1A）、过流保护等优点，如图 3-7 所示。图 3-7 电源电路电源电路可以分成滤波电路和稳压电路两部分：（1）滤波电路：将输出电压中的交流成分加以滤除，从而得到更平滑的直流电压。各滤波电容C 满足 RL-C （ 35）T2，其中 T 为输入交流信号周期，RL 为整流滤波电路的等效负载电阻。（2）稳压电路： LM7805 稳压电路的功能是在不超过额定输入电压的亲提下