1、2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽論文C題簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置【本科組】 2013/9/4目錄摘要.21.系統(tǒng)方案.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).2（1）直流減速電機(jī)2（2）編碼器3 1.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)32. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與論證.3 2.1 微型控制器的選擇32.2 倒立擺框架的選擇設(shè)計(jì)53. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).5 3.1供電系統(tǒng).53.2角度傳感器的設(shè)計(jì).53.3電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)芯片的選擇與電路設(shè)計(jì).64. 電路測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果7 4.1 一階倒立擺的PID控制實(shí)驗(yàn)75 討論.86 參考文獻(xiàn).97 附錄一 元器件清單.98 附錄二 部分源程序代碼.10摘要本題設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置，系統(tǒng)以 IA

2、P15F2K61S2 芯片為控制核心，采用單片機(jī)、直流驅(qū)動(dòng)器、直流減速電機(jī)、編碼器、倒立擺裝置等部分組成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)一階倒立擺的控制，使倒立擺這樣一個(gè)不穩(wěn)定的被控對(duì)象通過引入適當(dāng)?shù)目刂撇呗允怪蔀橐粋€(gè)能滿足各種性能指標(biāo)的穩(wěn)定系統(tǒng)。檢測(cè)角度的編碼器將輸入給它的角度量利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，并將該信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)接收到該信號(hào)后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析通過程序?qū)Φ沽[裝置產(chǎn)生控制。關(guān)鍵字 芯片、編碼器、反饋、PID控制系統(tǒng)方案系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將直流減速電機(jī)固定在木制支架上，圖示：系統(tǒng)硬件基本構(gòu)成并將旋轉(zhuǎn)臂通過螺絲固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，在旋轉(zhuǎn)臂的一端將擺桿通過轉(zhuǎn)

3、軸固定在旋轉(zhuǎn)軸上，其他如開關(guān)、穩(wěn)壓模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等合理布置在支架上，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)后，旋轉(zhuǎn)臂在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)擺桿在垂直于旋轉(zhuǎn)臂的平面做自由旋轉(zhuǎn)，通過軟件來控制擺桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 1）直流減速電機(jī)該電機(jī)型號(hào)為：德國(guó)馮哈勃Faulhaber帶編碼器空心杯減速電機(jī)2342L012。工作電壓：12伏。 空載轉(zhuǎn)速：8100轉(zhuǎn)/分鐘 。減速后速：120轉(zhuǎn)/分鐘。 輸出功率：17W。 扭矩 ：大扭矩（1.72Nm）。 圖示：直流減速電機(jī)減速比：64:1。 編碼器：光電式。該電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是能在很大的范圍內(nèi)具有平滑平穩(wěn)的調(diào)速性能、啟動(dòng)性能好、力矩大、控制簡(jiǎn)單、過載能力超強(qiáng)、收電磁干擾影響小。工

4、作電壓: 12V空載轉(zhuǎn)速：8100RPM（轉(zhuǎn)每分鐘）減速后速：120RPM（轉(zhuǎn)每分鐘）直徑：30mm電機(jī)長(zhǎng)度：42mm總共長(zhǎng)度：85mm出軸直徑：6mm出軸長(zhǎng)度：35mm輸出功率：17W扭矩：大扭矩( 1.72Nm)空載電流：75mA堵轉(zhuǎn)電流：1400mA減速箱型號(hào)：日本定制（全金屬精密行星減速箱）減速比：64：1編碼器：光電式輸出路數(shù)：雙路輸出每圈脈沖：12CPR（脈沖每圈）可以改裝其他高分辨率的光電編碼器型號(hào)：德國(guó)馮哈勃Faulhaber帶編碼器空心杯減速電機(jī)2342L012 12V每分鐘 120轉(zhuǎn)型號(hào)：德國(guó)馮哈勃Faulhaber帶編碼器空心杯減速電機(jī)2342L012 12V每分鐘 12

5、0轉(zhuǎn)2）編碼器編碼器是一種角度檢測(cè)裝置，它將輸入給軸的角度量利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，它具有體積小，精度高，工作可靠，接口數(shù)字化等特點(diǎn)。1.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 單片機(jī)通過角度傳感器檢測(cè)擺桿的運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)參量并分析反饋信號(hào)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速，使直流減速電機(jī)在電源帶動(dòng)下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力使擺桿根據(jù)擺角的變化而在垂直于旋轉(zhuǎn)臂的平面運(yùn)動(dòng)，使擺桿達(dá)到動(dòng)態(tài)倒立狀態(tài)。對(duì)直流減速電機(jī)我們使用專用芯片L298N，保證了驅(qū)動(dòng)的可靠性和精確性。擺桿直流減速電機(jī)光電碼盤1直流驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī) 圖示：系統(tǒng)整體2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與論證2.1 微型控制器的選擇控制器的設(shè)計(jì)是倒立擺系統(tǒng)的核心內(nèi)容，因?yàn)榈沽[是一

6、個(gè)絕對(duì)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，為使其保持穩(wěn)定并可以承受一定的干擾，需要給系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器，目前典型的控制器設(shè)計(jì)理論有：PID控制、根軌跡以及頻率響應(yīng)法、狀態(tài)空間法、最優(yōu)控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制、魯棒控制方法、自適應(yīng)控制、以及這些控制理論的相互結(jié)合組成更加強(qiáng)大的控制算法。本系統(tǒng)采用PID控制，比例控制(P)比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸入與輸出誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。積分控制（I）在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)圖示：PID控制入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)

7、態(tài)誤差，則成這個(gè)系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3)微分控制（D）在微分控制中，控制器的輸入與輸出誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大的慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作

8、用，其變化總是落后與誤差的變化，解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中引入“比例”往往是不夠的，比例項(xiàng)的中作用僅僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，他不能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)，從而避免了被控制的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 2.2 倒立擺框架的選擇與設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)要求倒立擺的穩(wěn)定性、精確性、快速性和平衡能力較高，因此，以木板作為底座，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以鋼質(zhì)軌道作為旋轉(zhuǎn)臂，將直

9、流伺服電機(jī)固定在木制支架上側(cè)接擺桿，帶動(dòng)擺桿在旋轉(zhuǎn)臂上運(yùn)動(dòng)，保證控制的精確性和快速性。直流伺服電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)擺桿的擺角的變化而在旋轉(zhuǎn)臂上轉(zhuǎn)動(dòng)，使擺桿在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)并達(dá)到動(dòng)態(tài)倒立狀態(tài)。3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 3.1供電系統(tǒng)本系統(tǒng)采用 12 伏電壓給伺服電動(dòng)機(jī)供電，配有5伏穩(wěn)壓模塊給單片機(jī)和角度傳感器供電。圖示:穩(wěn)壓電路3.2角度傳感器的設(shè)計(jì)我們選擇單圈的10K 精密電位器 它具有線性度好、易于調(diào)整阻值、可以在0-360 范圍內(nèi)周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，電位器旋轉(zhuǎn)到每一角度對(duì)應(yīng)一定的阻值，電位器接基準(zhǔn)的2.5V電壓，通過單片機(jī)的ADC 轉(zhuǎn)換為角度值。擺桿通過精密電位器與滑動(dòng)模塊連接，滑動(dòng)模塊在一

10、定范圍能滑動(dòng)時(shí)，使擺桿可以在豎直平面內(nèi)上下左右擺動(dòng)。 圖示：角度傳感器圖示：角度傳感器電路圖3.3 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)芯片的選擇與電路設(shè)計(jì)由于倒立擺在運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)電機(jī)的快速性、穩(wěn)定性要求較高，且具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性。考慮到步進(jìn)電機(jī)雖然具有良好的角度控制能力，但快速性達(dá)不到要求，被排除掉。普通直流機(jī)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動(dòng)和制動(dòng)，但調(diào)速性能較差。直流減速電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很方便的在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無極調(diào)速，故選用直流減速電動(dòng)機(jī)。 采用L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。為防止電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲對(duì)單片機(jī)的影響，在芯片與單片機(jī)的接口處添加兩個(gè)高速光耦芯片TLP521，這樣，單片機(jī)與電機(jī)就

11、在兩個(gè)完全獨(dú)立的電源下工作。使用高速光耦能保證單片機(jī)輸出的高頻率的PWM 控制信號(hào)可以無失真地輸出到 圖示：L298N子系統(tǒng)電路 L298N的輸入電路其中兩個(gè)端口控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，使電機(jī)帶動(dòng)滑動(dòng)模塊在軌道上來回運(yùn)動(dòng)，其余一個(gè)端口輸出PWM 接在L298N 的使能端，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單片機(jī)的定時(shí)器的相位修正PWM 模式，可輸出高精度的PWM 波，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。4. 電路測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果4.1 一階倒立擺的PID控制實(shí)驗(yàn) 4、點(diǎn)擊運(yùn)行程序，檢查電機(jī)是否上伺服。 5、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 6、改變PID參數(shù)再次記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試結(jié)果分析，系統(tǒng)總體上達(dá)到較好的性能。倒立擺能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)倒立，且

12、運(yùn)行的時(shí)間誤差在允許范圍內(nèi)。倒立擺運(yùn)行性能較好，制作成本低，性價(jià)比較高。倒立擺控制的誤差主要來源于直流伺服電機(jī)、角度傳感器和倒立擺機(jī)械結(jié)構(gòu)。直流伺服電機(jī)在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制在死區(qū)，低脈寬時(shí)電機(jī)不運(yùn)動(dòng)。角度傳感器由精密電位器改制，存在角度死區(qū)，精度不足。導(dǎo)軌硬度不夠，滑動(dòng)模塊長(zhǎng)時(shí)間滑動(dòng)造成導(dǎo)軌下彎，滑動(dòng)模塊在運(yùn)動(dòng)中摩擦力不均勻。因此，采用具有更好啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性直流電機(jī)、精度更高的角度傳感器改進(jìn)硬件結(jié)構(gòu)，以消除控制誤差，使控制精度更高。 5.討論 傳統(tǒng)的非線性系統(tǒng)分析方法需要非線性系統(tǒng)的精確模型，而現(xiàn)實(shí)世界上存在的大量復(fù)雜的多變的非線性系統(tǒng)則表現(xiàn)為參數(shù)的不確定性和結(jié)構(gòu)的不確定性。PID控制理論

13、為解決這類復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng)開辟了一條新的途徑。本文圍繞一級(jí)倒立擺系統(tǒng)，采用自動(dòng)控制理論中的經(jīng)典控制理論研究了倒立擺的控制問題。通過該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也說明了PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的一般步驟，提供了一套利用Matlab進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的有效方法，對(duì)PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。對(duì)于具有非線性、多變量等特點(diǎn)的倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，推到出其非線性數(shù)學(xué)模型，分析其非線性因素，擾動(dòng)對(duì)倒立擺系統(tǒng)的影響。詳細(xì)敘述了以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID控制理論，針對(duì)倒立擺系統(tǒng)為控制對(duì)象設(shè)計(jì)了PID控制及相關(guān)的控制方法。以倒立擺擺角為被控量，PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施性好。PID控制方法實(shí)現(xiàn)了倒立擺的良好控制。運(yùn)用經(jīng)典

14、控制的基本理論和方法，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳自動(dòng)調(diào)整，這就是PID控制。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，這種控制方法可以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。在倒立擺系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了倒立擺的實(shí)物控制。將控制器嵌入到倒立擺控制中，進(jìn)行編譯、連接、運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立的實(shí)時(shí)控制。但是由于參數(shù)選擇或個(gè)人原因還存在著誤差或缺點(diǎn)，可以通過多次系統(tǒng)的仿真進(jìn)一步完善。6.參考文獻(xiàn)【1】郭天祥51單片機(jī)C語(yǔ)言教程電子工程出版社2009/01【2】康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分高等教育出版社2005/7【3】康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分高等教育出版社2005/7【4】21ic中國(guó)電子網(wǎng)7附錄一 元器件清單1. 基本儀器清單60MHz雙通道數(shù)字示波器100MHz雙通道數(shù)字示波器低