【正文】 目錄 目錄 摘要 …………………………………………………………………………………………… I Abstract……………………………………………………………………………………… .II 1 緒論 ………………………………………………………………….... .................................1 倒立擺的系統(tǒng)簡介 …………………………………………… ...………………………… 1 倒立擺控制策略研究的意義與發(fā)展狀況 …………… .………………………………… ..1 2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 ………… …………………………………………………………… .2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案 ......................................................................................................... 2 角度傳感器的選擇與論證 ................................................................................................. 2 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的功能介紹及其特點 …………………………………………… ....2 絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的功能介紹及其特點 …………………………………………… ...2 電機的選擇與論證 ............................................................................................................. 3 步進電機 ………………… …………………………………………………………… ...3 360 度旋轉(zhuǎn)舵機 … ……………………………………………………………………… .3 帶速度閉環(huán)的直流電機 ………………… …………………………………………… ...3 電機驅(qū)動模塊的選擇與論證 ............................................................................................. 3 L298N 集成芯片 … ……………………………………………………………………… 3 L298N 芯片 ……… ……………………………………………………………………… 4 3 理論分析與計算 …… ……………………………………………………………………… 5 機械結(jié)構(gòu)設(shè) 計的分析 ........................................................................................................ 5 電機物理模型的分析與計算 ............................................................................................. 5 直流電機的機械特性 .................................................................................................... 5 直流電機的動態(tài)特性分析 ............................................................................................ 5 直流電機加速度分析與計算 ........................................................................................ 6 擺桿運動狀態(tài)的分析及控制思路 ..................................................................................... 6 擺桿振動 ......................................................................................................................... 6 擺桿做圓周運動 ............................................................................................................. 6 擺桿達到倒立平衡狀態(tài) ................................................................................................. 7 擺桿控制量的分析與計算 ................................................................................................. 7 擺桿起振狀態(tài)分析 ........................................................................................................ 7 擺桿進入開始調(diào)整倒立平衡的角度范圍 ...................................................................... 8 4 程序與電路的設(shè)計 … ……………………………………………………………………… 10 電路的設(shè) 計 ....................................................................................................................... 10 系統(tǒng)總體框圖 ............................................................................................................... 10 系統(tǒng)的電路原理圖 ....................................................................................................... 10 電機驅(qū)動模塊的電路設(shè)計 ........................................................................................... 10 程序的設(shè)計 ....................................................................................................................... 11 程序功能描述與設(shè)計思路 ........................................................................................... 11 程序流程圖 ................................................................................................................... 11 5 測試方案與測試結(jié)果分析 ………………………………………………………………… 13 目錄 測試方案 ........................................................................................................................... 13 測試條件與儀器 ............................................................................................................... 13 測試結(jié)果及分析 ............................................................................................................... 13 測試結(jié)果 (數(shù)據(jù) ) .............................................................................................................. 13 測試分析與結(jié)論 ............................................................................................................. 14 結(jié)論 …………………………… …………………………………………………………… ...15 參考文獻 …………………………… …………………………………… ………………… ...16 致謝 …………………………… …………………………………………………………… ...17 附錄 1：系統(tǒng)電路原理圖 …………………………………………………………………… 18 1 緒論 1 1 緒論 倒立擺系統(tǒng)是理想的自動控制教學實驗設(shè)備，使用它能全方位的滿足自動控制教學的要求。許多抽象的控制概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性、系統(tǒng)收斂速度和系統(tǒng)干擾能力等，都可以通過倒立擺直觀的表現(xiàn)出來。 倒立擺系統(tǒng)具有模塊性好和品種多樣化的優(yōu)點。其基本模塊即可是一維直線運動平臺或旋轉(zhuǎn)運動平臺，也可 以是二維運動平臺。通過增加角度傳感器和一節(jié)倒立擺桿，可構(gòu)成直線單節(jié)倒立擺、旋轉(zhuǎn)單節(jié)倒立擺或二維單節(jié)倒立擺；通過增加兩節(jié)倒立擺桿和相應(yīng)的傳感器，則可構(gòu)成兩節(jié)直線倒立擺和兩節(jié)旋轉(zhuǎn)倒立擺。 倒立擺的控制方法和雜技運動員倒立平衡表演技巧有相同之處，極富趣味性，學習自動控制課程的學生通過使用它來驗證所學的控制理論和算法，加深對所學課程的理解。由于倒立擺系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)簡單、容易設(shè)計和制造，成本廉價，因此在歐美發(fā)達國家的高等院校，它已成為常見的控制教學設(shè)備。 由于倒立擺系統(tǒng)的高階次 、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強耦合特性，許多現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將他視為研究對象，并不斷從中發(fā)掘出新的控制理論和控制方法。因此倒立擺系統(tǒng)也是進行控制理論研究的理想平臺。 直線運動行倒立擺外形美觀、緊湊、可靠性好。除了為每個子系列提供模塊化的實現(xiàn)方案外，其控制系統(tǒng)的軟件平臺采用開放式結(jié)構(gòu)，是學生建立不同的模型，驗證不同的控制算法，提供不同的層次的學生進行試驗和研究。 由于采用了運動控制器和伺服電機進行實時運動控制，以及齒型帶傳動，固高公司的倒立擺系統(tǒng)還是一個典型的機電一體化教學實驗平臺，可以用來進行各種電 機拖動、定位和速度跟蹤控制實驗，讓學生理解和掌握機電一體化產(chǎn)品的部件特征和系統(tǒng)集成方法。 白城師范學院本科畢業(yè)論文 2 2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 為實現(xiàn)簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)中各控制模塊的實現(xiàn)方式的硬件的多樣性，為滿足實驗教學和研究工作的基本要求，該控制系統(tǒng)主要采用主控模塊、角度傳感器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電機驅(qū)動模塊、機械結(jié)構(gòu)模塊等幾部分組成，如圖 21 所示 [1]。 圖 21 系統(tǒng)方案設(shè)計圖 角度傳感器 [2]可分為絕對值式旋轉(zhuǎn)編碼器和增量式編碼器，還可以采用陀螺儀用程序控制來計算角度，但就本設(shè)計方案來說主要考慮的還是編碼器，現(xiàn)主要介紹兩種編碼器的主要功能和選擇方案。 增量式編碼器的功能介紹及其特點 增量式編碼器 [3]是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A、 B 和 Z 相； A、 B兩組脈沖相