【正文】 。當(dāng)擺桿能夠擺到接近于180度的位置時(shí)（正負(fù)大約15度），希望擺桿能夠趨向平衡位置（180度位置），并動(dòng)態(tài)保持平衡。要實(shí)現(xiàn)上述功能，我們首先只開啟擺桿的角度反饋，不給電機(jī)控制電壓，然后用手轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿，找到第一個(gè)Z相信號(hào)，并將之定在180的平衡位置上。然后每經(jīng)過一個(gè)Z相信號(hào)，都會(huì)將角度標(biāo)準(zhǔn)重新標(biāo)定一下（標(biāo)定0度），之后我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)標(biāo)定很有必要，因?yàn)閿[桿在最低點(diǎn)的往復(fù)擺中，由于方向時(shí)刻改變，而測(cè)速脈沖（編碼器A相信號(hào)和B相信號(hào)異或之后的信號(hào)，相當(dāng)于二分頻）在方向不同是會(huì)有一個(gè)相移，導(dǎo)致測(cè)速脈沖有一個(gè)累積誤差。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，隨著擺動(dòng)次數(shù)增加，累積誤差可高達(dá)10幾度，導(dǎo)致零位嚴(yán)重偏移。而Z相信號(hào)的標(biāo)定可以彌補(bǔ)這個(gè)誤差。在做完標(biāo)定之后，我們將程序設(shè)計(jì)為一開始就通過PID調(diào)節(jié)給電機(jī)一個(gè)最大的加速度，使擺桿盡量能在一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)擺至180度平衡位置附近，然后結(jié)束使擺桿幅度加大的正反饋環(huán)節(jié)，開始進(jìn)入到所加的加速度隨著擺桿與180度平衡位置夾角的大小成正比，但加速度的方向與夾角變化方向成反比的程序中。 擺桿控制量的分析與計(jì)算 擺桿起振狀態(tài)分析 假設(shè)某一時(shí)刻，擺桿向左擺到了α度，此時(shí)擺桿的受力狀態(tài)如圖X所示：A點(diǎn)為擺桿與旋轉(zhuǎn)臂連接處，設(shè)此時(shí)擺桿收到旋轉(zhuǎn)臂的力為F，方向如圖所示，此時(shí)力F的作用是使擺桿繼續(xù)向左擺起，即增大擺桿的擺動(dòng)復(fù)讀。因此可以根據(jù)此受力分析給電機(jī)一致方向的角加速度。 擺桿進(jìn)入開始調(diào)整倒立平衡的角度范圍 假設(shè)圖中角度為β，則想要使擺角趨向180度，要給擺桿一個(gè)圖示方向的力F使得下式成立： 公式10 由于考慮的連軸的摩擦力，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)收到的空氣阻力，外部接線對(duì)擺桿的干擾力等等，增加一個(gè)阻尼力，使得上式變?yōu)椋? 公式11 在算出了角速度的控制量范圍之后，需要確定單片機(jī)提供的相應(yīng)控制量。為了比較接近實(shí)際的物理情況，以及直流電機(jī)控制電壓與加速度的關(guān)系，即公式9,。再結(jié)合我們手頭可以得到的關(guān)于直流電機(jī)的各種參數(shù)，我們很難精確地算出時(shí)間常數(shù)，只能近似，而且再加上程序的控制周期遠(yuǎn)小于時(shí)間常數(shù)，綜合考慮之后，我們選擇了忽略公式9中等號(hào)右邊的后兩項(xiàng)變量，也就是近似認(rèn)為直流電機(jī)的控制電壓與加速度成正比關(guān)系，這樣便于單片機(jī)給出控制信號(hào)。但是經(jīng)過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)之后，我們發(fā)現(xiàn)，用PD調(diào)節(jié)來控制電壓信號(hào)，可以使擺桿處于倒立平衡狀態(tài)，但是相當(dāng)不穩(wěn)定，還經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的情況。 因此，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上加入了旋轉(zhuǎn)臂的速度反饋。之前我們?cè)谀Ｐ偷慕⑸虾雎粤斯?等號(hào)右邊的后兩項(xiàng)，造成了比較大的誤差?，F(xiàn)在加入了旋轉(zhuǎn)臂的速度反饋之后，就可以計(jì)算出了，可以只忽略最后一項(xiàng)，大大減小了誤差。同時(shí)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，雙環(huán)控制的效果能達(dá)到大部分的性能指標(biāo)。3電路與程序設(shè)計(jì) 整體系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)，XS128單片機(jī)最小系統(tǒng)板，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電源模塊，異或門，計(jì)數(shù)器和D觸發(fā)器，以及帶速度反饋的直流電機(jī)和增量式編碼器組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，圖1 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)電路原理圖 見附件2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì) 如圖2所示 圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路 程序功能描述根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)程序的任務(wù)如下：對(duì)檢測(cè)擺桿位置的增量編碼器1的輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和方向識(shí)別，根據(jù)擺桿的擺角發(fā)出PWM波，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)接受外部計(jì)數(shù)器對(duì)旋轉(zhuǎn)臂速度檢測(cè)反饋回來的信息，綜合兩個(gè)反饋，根據(jù)基于物理模型得到的電機(jī)控制電壓計(jì)算公式，控制電機(jī)使給擺桿一個(gè)加速度，不同的控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能，如起振，圓周運(yùn)動(dòng)，倒立平衡等。 電機(jī)控制程序內(nèi)容：見附件3主程序與子程序框圖 圖3 主程序與子程序框圖“起擺做圓周運(yùn)動(dòng)”子程序流程圖 圖4 “起擺做圓周運(yùn)動(dòng)”子程序流程圖“起擺并盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)”子程序流程圖 圖5 “起擺并達(dá)到倒立平衡狀態(tài)”子程序流程圖4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果硬件軟件聯(lián)調(diào)：調(diào)試時(shí)，下載線連接單片機(jī)，以便程序執(zhí)行后實(shí)時(shí)觀測(cè)控制算法中多個(gè)變量，如擺桿角度，方向，電機(jī)速度以及加速度等等。通過撥碼開關(guān)來決定運(yùn)行不同的程序，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。相互功能之間沒有干擾。實(shí)現(xiàn)另一個(gè)功能需要單片機(jī)復(fù)位后重新運(yùn)行。記錄下每次實(shí)現(xiàn)不同功能的性能指標(biāo)。 測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：支架水平放置于桌面上，保證擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，除電機(jī)外無其他外力對(duì)擺桿造成干擾（空氣阻力，摩擦力等不算在內(nèi)）。測(cè)試儀器：直流穩(wěn)壓電源，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，秒表，量角器. 測(cè)試結(jié)果及分析(數(shù)據(jù))測(cè)試功能一：擺桿起振 測(cè)試次數(shù)123456擺動(dòng)幅度（度） 6060 60606060擺動(dòng)時(shí)間（s）212354 測(cè)試功能二：擺桿完成圓周運(yùn)動(dòng)說明：以完整的完成一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。 測(cè)試次數(shù)12345678完成時(shí)間（s）22221211測(cè)試功能三：擺桿盡快達(dá)到倒立平衡狀態(tài)并保持5s以上，且旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不大于90度。測(cè)試次數(shù)12345678保持時(shí)間（s）55555555旋轉(zhuǎn)臂最大轉(zhuǎn)動(dòng)角 （度）9090909090909090測(cè)試功能四：從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立時(shí)間不小于10s測(cè)試次數(shù)12345678擺起時(shí)間（s）2312．514保持時(shí)間（s）101001010101010測(cè)試功能五：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)。測(cè)試次數(shù)12345678能否保持能能能能能能能否恢復(fù)時(shí)間（s）23433454測(cè)試功能六：在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂做圓周運(yùn)動(dòng)，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過角度達(dá)到或超過360度。測(cè)試次數(shù)12345678旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過360度時(shí)間（s）55555555根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)基本上能夠達(dá)到基本部分和發(fā)揮部分(1)(3)的性能指標(biāo)，由此可以得出以下結(jié)論：電機(jī)的性能不是很理想，聯(lián)軸器有些松動(dòng)，長時(shí)間運(yùn)行兩者有些脫節(jié)，起振達(dá)到平衡很困難，雙環(huán)控制需要時(shí)間上的配合，加入的時(shí)間和參數(shù)很重要。好的硬件電路時(shí)成功的奠基石。綜上所述，本設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5總結(jié)本次比賽中我們組遇到的最大的困難是硬件問題，包括合適的電動(dòng)機(jī)的選型，先后換了三種型號(hào)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與底座和旋轉(zhuǎn)臂的連接，以及能夠經(jīng)受住長時(shí)間離心力作用的聯(lián)軸器和鋼珠等支承結(jié)構(gòu)。四天三夜中很多時(shí)間在組建和檢修硬件部分，導(dǎo)致浪費(fèi)了很多調(diào)試程序的時(shí)間，東奔西跑地尋找合適的材料也浪費(fèi)了很多體力。在斷斷續(xù)續(xù)的將硬件做好之后，在調(diào)試軟件時(shí)我們一直采用的程序設(shè)計(jì)思路在我們攻克倒立平衡的穩(wěn)定性時(shí)，遇到了很大的挑戰(zhàn)，我們?cè)谶@個(gè)程序思路上下了很多功夫，但是調(diào)整結(jié)果很不滿意。在第四天的下午，離比賽結(jié)束還有幾個(gè)小時(shí)時(shí)，我們放棄了一直堅(jiān)持的程序主線——將加速度環(huán)作為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)而采用了將速度環(huán)作為內(nèi)環(huán)，而加速度環(huán)作為外環(huán)，消除了速度的采樣滯后，才取得了比較可喜的進(jìn)步，但是由于時(shí)間實(shí)在太有限，我們沒有機(jī)會(huì)將所有部分都完美的移植在新的程序思路上。遺憾是有的，但是收獲也是巨大的，四天三夜，體驗(yàn)到了很多東西，團(tuán)隊(duì)的力量，溝通的重要性，最重要的是遇到困難能