【正文】 ...... 21 基本收碼發(fā)碼 ............................................................................... 21 高級發(fā)碼 ....................................................................................... 21 高級收碼 ....................................................................................... 22 波形顯示 ....................................................................................... 23 下位機程序設計 ...................................................................................... 23 目錄 ii 下位機的高級發(fā)碼程序設計 ....................................................... 23 下位機的高級收碼程序設計 ....................................................... 25 上位機修改參數(shù) ...................................................................................... 25 第六章 系統(tǒng)調試 .............................................................................................. 27 初步調試 .................................................................................................. 28 上電檢查 ....................................................................................... 28 單片機程序下載和通信 ............................................................... 28 測試 PWM 輸出 ............................................................................. 28 姿態(tài)傳感器采集 ........................................................................... 28 倒立控制調試 ........................................................................................... 29 測量傳感器零點偏移量 ............................................................... 29 標定角位移傳感器比例值 ........................................................... 29 倒立控制參數(shù)整定 .................................................................................. 30 電機死區(qū)常數(shù)整定 .................................................................................. 30 第七章 總結與展望 .......................................................................................... 31 工作總結 .................................................................................................. 31 不足與展望 .............................................................................................. 31 不足 ............................................................................................... 31 展望 ............................................................................................... 32 附錄一 電路原理圖 ............................................................................................. 33 附錄二 程序代碼 ................................................................................................. 36 參考文獻 ................................................................................................................. 43 致 謝 ....................................................................................................................... 44 吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 課題研究的目的和意義 20 世紀 50 年代 ,控制理論專家開始了對倒立擺系統(tǒng)的研究。第一臺一級倒立擺系統(tǒng)的實驗裝置是根據(jù)火箭發(fā)射助推器的原理設計的。此后研究人員參照雙足機器人的控制系統(tǒng)設計出了二級倒立擺 ,隨著控制策略研究的深入 ,依次出現(xiàn)了三級擺、四級擺。依據(jù)基座的運動形式 ,倒立擺系統(tǒng)主要分為三大類 :直線倒立擺、環(huán)形倒立擺和平面倒立擺 ,其中 平面倒立擺是倒立擺系統(tǒng)中最復雜的一類。 20xx 年 7 月 ,北京師范大學復雜系統(tǒng)智能控制實驗室在李洪興教授的帶領下采用“變論域自適應模糊控制理論”成功實現(xiàn)了對平面三級倒立擺實物系統(tǒng)的控制 ,這代表了世界范圍內平面倒立擺系統(tǒng)領域的最先水平。 倒立擺系統(tǒng)的控制策略與雜技表演頂桿的控制技巧相似 ,很多抽象的控制理論都能夠通過倒立擺控制系統(tǒng)來表現(xiàn) ,比如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性等 ,因此倒立擺系統(tǒng)因其成本低廉、結構簡單等優(yōu)點 ,成為驗證某一控制理論或控制方法的理想實驗平臺。倒立擺系統(tǒng)是一種典型的多變量、非線性、強耦合、高階次的自然不穩(wěn) 定系統(tǒng) ,它的控制目標就是實現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)各擺桿的平衡 ,使之沒有過大震蕩 ,并在加入隨機擾動的情況下系統(tǒng)能夠在擾動消失后迅速恢復平衡狀態(tài)。倒立擺系統(tǒng)的這種特性 ,使它成為進行控制理論研究的理想實驗平臺。對倒立擺系統(tǒng)的研究能夠有效的反映控制領域中的許多典型問題 :如非線性、魯棒性、隨動性、穩(wěn)定性問題等。 現(xiàn)階段檢驗某種控制方法或控制理論是否有較強的解決非線性和不穩(wěn)定性問題的能力 ,一般都通過對倒立擺系統(tǒng)控制的研究來實現(xiàn) ,倒立擺的研究不僅有其深刻的理論意義 ,同時還有重要的工程背景。從日常生活中所見到的空間飛行器和各種伺服云 臺的穩(wěn)定 ,到任何重心在上、支點在下的控制問題 ,都類似于倒立擺的控制 ,故對倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制研究在實際中有很多應用 ,如火箭發(fā)射、海上鉆井平臺以及衛(wèi)星發(fā)射架的穩(wěn)定控制、化工過程控制、控制飛機安全著陸等都屬于這類問題。由于其運動過程與人類的行走姿態(tài)相似 ,而其平衡控制又與火箭飛行的控制類似 ,致使倒立擺系統(tǒng)的研究在直升機的飛行控制、火箭發(fā)射過程中的姿態(tài)控制、雙足機器人的直立行走控制等領域中具第一章 緒論 2 有重要的現(xiàn)實意義。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展 ,倒立擺系統(tǒng)研究的相關科研成果己廣泛應用于機器人、軍工、航天科技及一般工業(yè)過程等諸多領 域。 發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀 國際上最早報道倒立擺的研究論文是 Bryson A . 1970 年撰寫的Thesynthesis of regulator logic using statevariable control 和 等于 1976 年撰寫的 Control of unstable mechanical systemcontrol of pendulum,該兩篇文章中均應用極點配置法對倒立擺系統(tǒng)進行穩(wěn)定性控制研究 ,獲得滿意的結果。 我國最早有關倒立擺系統(tǒng)的研究文章是西安交通大 學的尹征琦教授 1985年發(fā)表在《信息與控制》的論文“采用模擬調節(jié)器的二級倒立擺的控制”。該文采用降階觀測器這樣簡單的模擬控制器 , 實現(xiàn)了對二級倒立擺的控制 ,系統(tǒng)受到大的干擾或人為改變實際模型參數(shù)時 , 能非常穩(wěn)定的工作。這一研究成果激發(fā)了我國控制學界的強烈興趣 ,倒立擺系統(tǒng)的控制研究逐漸成為我國控制學界的熱門領域。各種研究成果不斷涌現(xiàn) ,其中以北京師范大學李洪興教授領導的復雜系統(tǒng)智能控制實驗室成果最為驕人。他們首先致力于研究一至四級直線型倒立擺實物系統(tǒng)的起擺和穩(wěn)定實時控制 ,于 20xx年 8月在世界上首次成功實現(xiàn)四級 倒立擺實物系統(tǒng)起擺和穩(wěn)定控制 。然后又將研究目光瞄準更加復雜難控的平面倒立擺系統(tǒng) ,將變論域自適應模糊控制理論結合最優(yōu)控制理論和經(jīng)典 PID 控制理論的某些特點擴展為具有高維 PID 調節(jié)功能的變論域自適應控制理論 ,并將該理論應用于平面運動二級倒立擺實物系統(tǒng)控制研究 ,于 20xx 年3 月 25 日成功實現(xiàn)了平面運動二級倒立擺實物系統(tǒng)控制。該項成果已達到國際先進水平甚至國際領先水平。此外 ,以中國科學院易建強等、清華大學王中大等、中國科學技術大學張冬軍等、上海交通大學付瑩、哈爾濱工業(yè)大學柏桂珍等為代表的研究團隊均在倒立擺系統(tǒng)的控制 研究方面取得了重要的突破性成就。研究對象涵蓋直線型一級到四級倒立擺的起擺和穩(wěn)定控制 ,傾斜軌道的直線三級倒立擺、平面倒立擺、圓軌 (環(huán)形 )倒立擺等 ,控制理論從經(jīng)典的傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎的頻域分析方法 ,發(fā)展到 PID、自適應、狀態(tài)反饋、 LQR 最優(yōu)控制、滑模變結構控制、智能控制、模糊控制及人工神經(jīng)元網(wǎng)絡。 吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 3 本文研究的主要內容 一階環(huán)形倒立擺系統(tǒng)是一種欠驅動機械系統(tǒng)，本文所研究的內容是：能否通過對電機轉速和方向的控制，保持擺桿倒立的狀態(tài)。對于該問題，根據(jù)經(jīng)驗和直覺是難以判斷出來的。因此，需要對該系統(tǒng) 建模，然后利用現(xiàn)代控制理論的方法進行系統(tǒng)的可控性的研究。 本文運用經(jīng)典力學理論首先建立倒立擺系統(tǒng)的運動力學方程，然后通過分析，推出一階環(huán)形倒立擺的數(shù)學模型。根據(jù)分析運用 PID 控制算法，調試系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定倒立功能。第二章 倒 立擺系統(tǒng)建模和定性分析 4 第二章 倒立擺系統(tǒng)建模和定性分析 倒立擺系統(tǒng)特性分析 倒立擺系統(tǒng)是典型的機械電子系統(tǒng)。無論那種類型的倒立擺系統(tǒng)都有如下特性： (l)藕合性。倒立擺擺桿之間都是強藕合的。這既是使得控制器參數(shù)調節(jié)、控制系統(tǒng)的設計變得復雜的原因 ,也是采用單電機驅動倒立擺系統(tǒng)的原因。 (2)開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。倒立擺系 統(tǒng)有兩個平衡狀態(tài) :豎直向上和豎直向下。開環(huán)狀態(tài)即倒立擺豎直向上的狀態(tài) ,微小的擾動都會使系統(tǒng)進入到豎直向下的狀態(tài)中 ,所以是系統(tǒng)不穩(wěn)定的平衡點 ,豎直向下的狀態(tài)是系統(tǒng)穩(wěn)定的平衡點。 (3 放射非線性系統(tǒng)。倒立擺控制系統(tǒng)可以應用微分幾何方法進行分析 ,因為它是一種典型的放射非線性系統(tǒng)。 (4)不確定性。主要是指測量噪聲、建立系統(tǒng)數(shù)學模型時的參數(shù)誤差以及機械傳動過程中的非線性因素所導致的難以量化的部分。 (5)欠冗余性。倒立擺控制系統(tǒng)采用單電機驅動 ,因而它與冗余機構 ,有較大的不同。之所以采用欠冗余的設計是為了節(jié)約有效的空 間及經(jīng)濟成本而且是在不失系統(tǒng)可靠性的前提下進行 ,研究者往往是為了通過對倒立擺控制系統(tǒng)的研究來獲得性能優(yōu)越的新型控制器設計方法 ,并驗證其有效性及其控制性能。 針對上述倒立擺系統(tǒng)的特性 ,在建模時一般忽略掉系統(tǒng)中一些次要的難以建模的因素 ,例如擺桿連接處質量分布不均勻、伺服電機由于安裝而產(chǎn)生的靜摩擦力、空氣阻力、系統(tǒng)連接處的松弛程度、傳動齒輪的間隙等等。建模時將擺桿抽象為勻質剛體 ,這樣可以通過力學原理建立一個較為精確的系統(tǒng)數(shù)學模型。為了研究倒立擺系統(tǒng)控制方法而建立一個比較精確的線性系統(tǒng)模型是必不可少的。一般采用兩種 方法對倒立擺系統(tǒng)建模 :牛頓力學分析方法、歐拉一拉格朗日原理 (Lagrange 方程)。應用歐拉一