简易旋转倒立摆及控制装置-电子设计大赛论

1、2013年全国大学生电子设计大赛论文C题简易旋转倒立摆及控制装置【本科组】 2013/9/4目录摘要.21.系统方案.2系统硬件结构设计.2（1）直流减速电机2（2）编码器3 1.2系统整体设计32. 系统设计与论证.3 2.1 微型控制器的选择32.2 倒立摆框架的选择设计53. 系统硬件电路设计.5 3.1供电系统.53.2角度传感器的设计.53.3电机及其驱动芯片的选择与电路设计.64. 电路测试方法及测试结果7 4.1 一阶倒立摆的PID控制实验75 讨论.86 参考文献.97 附录一 元器件清单.98 附录二 部分源程序代码.10摘要本题设计一个简易旋转倒立摆及控制装置，系统以 IA

2、P15F2K61S2 芯片为控制核心，采用单片机、直流驱动器、直流减速电机、编码器、倒立摆装置等部分组成了一个闭环系统，通过PID调节实现对一阶倒立摆的控制，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策略使之成为一个能满足各种性能指标的稳定系统。检测角度的编码器将输入给它的角度量利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，并将该信号反馈给单片机，单片机接收到该信号后对该信号进行分析通过程序对倒立摆装置产生控制。关键字 芯片、编码器、反馈、PID控制系统方案系统硬件结构设计将直流减速电机固定在木制支架上，图示：系统硬件基本构成并将旋转臂通过螺丝固定在电机转轴上，在旋转臂的一端将摆杆通过转

3、轴固定在旋转轴上，其他如开关、稳压模块、驱动模块等合理布置在支架上，启动电动机后，旋转臂在电动机的驱动下做往复旋转运动，带动摆杆在垂直于旋转臂的平面做自由旋转，通过软件来控制摆杆的运动状态。 1）直流减速电机该电机型号为：德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012。工作电压：12伏。 空载转速：8100转/分钟 。减速后速：120转/分钟。 输出功率：17W。 扭矩 ：大扭矩（1.72Nm）。 图示：直流减速电机减速比：64:1。 编码器：光电式。该电动机的突出优点是能在很大的范围内具有平滑平稳的调速性能、启动性能好、力矩大、控制简单、过载能力超强、收电磁干扰影响小。工

4、作电压: 12V空载转速：8100RPM（转每分钟）减速后速：120RPM（转每分钟）直径：30mm电机长度：42mm总共长度：85mm出轴直径：6mm出轴长度：35mm输出功率：17W扭矩：大扭矩( 1.72Nm)空载电流：75mA堵转电流：1400mA减速箱型号：日本定制（全金属精密行星减速箱）减速比：64：1编码器：光电式输出路数：双路输出每圈脉冲：12CPR（脉冲每圈）可以改装其他高分辨率的光电编码器型号：德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012 12V每分钟 120转型号：德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012 12V每分钟 12

5、0转2）编码器编码器是一种角度检测装置，它将输入给轴的角度量利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，它具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等特点。1.2系统整体设计 单片机通过角度传感器检测摆杆的运行状态等相关参量并分析反馈信号，从而控制电机转向及转速，使直流减速电机在电源带动下产生驱动力使摆杆根据摆角的变化而在垂直于旋转臂的平面运动，使摆杆达到动态倒立状态。对直流减速电机我们使用专用芯片L298N，保证了驱动的可靠性和精确性。摆杆直流减速电机光电码盘1直流驱动器数据采集卡计算机 图示：系统整体2.系统设计与论证2.1 微型控制器的选择控制器的设计是倒立摆系统的核心内容，因为倒立摆是一

6、个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并可以承受一定的干扰，需要给系统设计控制器，目前典型的控制器设计理论有：PID控制、根轨迹以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论、模糊控制理论、神经网络控制、拟人智能控制、鲁棒控制方法、自适应控制、以及这些控制理论的相互结合组成更加强大的控制算法。本系统采用PID控制，比例控制(P)比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输入与输出误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。积分控制（I）在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进图示：PID控制入稳态后存在稳

7、态误差，则成这个系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而增加，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3)微分控制（D）在微分控制中，控制器的输入与输出误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大的惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作

8、用，其变化总是落后与误差的变化，解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中引入“比例”往往是不够的，比例项的中作用仅仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，他不能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负，从而避免了被控制的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 2.2 倒立摆框架的选择与设计本设计要求倒立摆的稳定性、精确性、快速性和平衡能力较高，因此，以木板作为底座，保证结构的稳定性，以钢质轨道作为旋转臂，将直

9、流伺服电机固定在木制支架上侧接摆杆，带动摆杆在旋转臂上运动，保证控制的精确性和快速性。直流伺服电机产生的驱动力根据摆杆的摆角的变化而在旋转臂上转动，使摆杆在竖直平面内摆动并达到动态倒立状态。3.系统硬件电路设计 3.1供电系统本系统采用 12 伏电压给伺服电动机供电，配有5伏稳压模块给单片机和角度传感器供电。图示:稳压电路3.2角度传感器的设计我们选择单圈的10K 精密电位器 它具有线性度好、易于调整阻值、可以在0-360 范围内周而复始的旋转等特点，电位器旋转到每一角度对应一定的阻值，电位器接基准的2.5V电压，通过单片机的ADC 转换为角度值。摆杆通过精密电位器与滑动模块连接，滑动模块在一

10、定范围能滑动时，使摆杆可以在竖直平面内上下左右摆动。 图示：角度传感器图示：角度传感器电路图3.3 电机及其驱动芯片的选择与电路设计由于倒立摆在运动过程中，对电机的快速性、稳定性要求较高，且具有良好的启动、制动和调速特性。考虑到步进电机虽然具有良好的角度控制能力，但快速性达不到要求，被排除掉。普通直流机虽然能够实现快速启动和制动，但调速性能较差。直流减速电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便的在宽范围内实现平滑无极调速，故选用直流减速电动机。 采用L298 电机驱动芯片。为防止电机工作时产生的噪声对单片机的影响，在芯片与单片机的接口处添加两个高速光耦芯片TLP521，这样，单片机与电机就

11、在两个完全独立的电源下工作。使用高速光耦能保证单片机输出的高频率的PWM 控制信号可以无失真地输出到 图示：L298N子系统电路 L298N的输入电路其中两个端口控制电机的正反转和停转，使电机带动滑动模块在轨道上来回运动，其余一个端口输出PWM 接在L298N 的使能端，控制电机的转速，单片机的定时器的相位修正PWM 模式，可输出高精度的PWM 波，实现对电机的精确控制。4. 电路测试方法及测试结果4.1 一阶倒立摆的PID控制实验 4、点击运行程序，检查电机是否上伺服。 5、记录实验结果。 6、改变PID参数再次记录实验结果。测试结果分析，系统总体上达到较好的性能。倒立摆能够实现动态倒立，且

12、运行的时间误差在允许范围内。倒立摆运行性能较好，制作成本低，性价比较高。倒立摆控制的误差主要来源于直流伺服电机、角度传感器和倒立摆机械结构。直流伺服电机在低速运动时，控制在死区，低脉宽时电机不运动。角度传感器由精密电位器改制，存在角度死区，精度不足。导轨硬度不够，滑动模块长时间滑动造成导轨下弯，滑动模块在运动中摩擦力不均匀。因此，采用具有更好启动、制动和调速特性直流电机、精度更高的角度传感器改进硬件结构，以消除控制误差，使控制精度更高。 5.讨论 传统的非线性系统分析方法需要非线性系统的精确模型，而现实世界上存在的大量复杂的多变的非线性系统则表现为参数的不确定性和结构的不确定性。PID控制理论

13、为解决这类复杂多变量非线性系统开辟了一条新的途径。本文围绕一级倒立摆系统，采用自动控制理论中的经典控制理论研究了倒立摆的控制问题。通过该系统的设计，也说明了PID控制系统的设计的一般步骤，提供了一套利用Matlab进行控制器设计的有效方法，对PID控制系统设计具有借鉴意义。对于具有非线性、多变量等特点的倒立摆系统进行系统分析，推到出其非线性数学模型，分析其非线性因素，扰动对倒立摆系统的影响。详细叙述了以经典控制理论为基础的PID控制理论，针对倒立摆系统为控制对象设计了PID控制及相关的控制方法。以倒立摆摆角为被控量，PID控制器结构简单，实施性好。PID控制方法实现了倒立摆的良好控制。运用经典

14、控制的基本理论和方法，即可实现对PID参数的最佳自动调整，这就是PID控制。通过实验结果可知，这种控制方法可以实现良好的控制效果。在倒立摆系统仿真实验的基础上，实现了倒立摆的实物控制。将控制器嵌入到倒立摆控制中，进行编译、连接、运行，实现对倒立的实时控制。但是由于参数选择或个人原因还存在着误差或缺点，可以通过多次系统的仿真进一步完善。6.参考文献【1】郭天祥51单片机C语言教程电子工程出版社2009/01【2】康华光电子技术基础模拟部分高等教育出版社2005/7【3】康华光电子技术基础数字部分高等教育出版社2005/7【4】21ic中国电子网7附录一 元器件清单1. 基本仪器清单60MHz双通道数字示波器100MHz双通道数字示波器低