【正文】 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)基于單片機控制的旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IVABSTRACT V第一章 緒 論 1 引言 1 1 1 2 倒立擺分類以及特性 2 倒立擺分類 2 倒立擺的特性 3 4 5 5 5 6第二章 方案的比較與論證 7 7 7 8 8 8 顯示模塊的選擇與論證 8 旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)總體框圖 8第三章 系統(tǒng)理論分析與計算 10 10 PID控制算法 10 PID控制簡介 10 PID控制各部分的特點 11 PID控制器的參數(shù)整定 12 PID控制原理圖 12 14 14 14 擺桿做圓周運動 14 擺桿狀態(tài)檢測的計算 14 擺桿擺起的算法 14 擺桿保持平衡的算法 16 抗干擾 16第四章 硬件模塊設(shè)計 17 控制器模塊設(shè)計 17 電機驅(qū)動模塊 19 步進電機模塊 21 顯示模塊 22 時鐘振蕩電路 24 復(fù)位電路 25 電源模塊 25第五章 軟件設(shè)計 27 27 C51簡介 27 27 29 29 29 程序流程圖 29 29 擺桿做圓周運動子程序流程圖 30 保持倒立平衡子程序流程圖 315. 4 總程序設(shè)計 33第六章 測試結(jié)果及分析 34 測試儀表 34 測試方案與結(jié)果 34 結(jié)果分析 35總結(jié)與展望 36參考文獻 37致 謝 38附錄A：原理圖 39附錄B：外文文獻 40附錄C：中文翻譯 53附錄D：源程序 65 73太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第一章 緒 論 引言 日常生活中，我們經(jīng)常能見到一些支點在上而重心在下的擺，如掛鐘的擺，這種稱為順擺。還有一種支點在下而重心在上，恒不穩(wěn)定的系統(tǒng)或裝置，這就是倒立擺。倒立擺的穩(wěn)定性控制是控制理論與應(yīng)用的典型問題。在穩(wěn)定性問題上，倒立擺既具有普遍性又具有典型性，倒立擺系統(tǒng)作為一種控制裝置，它結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、便于模擬和數(shù)學(xué)實現(xiàn)多種不同的控制方法。作為一個被控制對象，它是一個高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強耦合的快速系統(tǒng)。它在控制過程中能有效地反映控制中的許多關(guān)鍵問題，如非線性問題、系統(tǒng)的魯棒性問題、隨動問題、鎮(zhèn)定問題及跟蹤問題等。倒立擺系統(tǒng)可用多種理論和方法來實現(xiàn)其穩(wěn)定控制，如PID、自適應(yīng)、狀態(tài)反饋、智能控制、模糊控制及人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等，都能在倒立擺系統(tǒng)控制上得到實現(xiàn)。由于倒立擺系統(tǒng)的運動特性與運載火箭穩(wěn)定運行和雙足步行機器人關(guān)節(jié)運動有很大的相似之處，可以把它作為一個控制算法的研究平臺，利用它來驗證控制算法的可行性。所以對倒立擺的研究具有重要的實踐意義，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及實際應(yīng)用中的可行性需要一個按其理論課程設(shè)計的控制器去控制一個典型對象來驗證。倒立擺就是這樣一個被控對象。倒立擺系統(tǒng)具有多變量、快速、非線性和絕對不穩(wěn)定等特性，在控制過程中能有效反映許多關(guān)鍵問題，如非線性問題、系統(tǒng)的魯棒性問題、隨動問題、鎮(zhèn)定問題及跟蹤問題等。倒立擺系統(tǒng)的控制效果可以通過其穩(wěn)定性直觀地體現(xiàn)，也可以通過擺桿角度、小車位移和穩(wěn)定時間直接度量，其實驗效果顯著、直觀。當(dāng)新的控制理論與方法出現(xiàn)以后，可以用倒立擺對其正確性和實用性加以物理驗證，并對各種方法進行快捷、有效、生動的比較。倒立擺是一個在學(xué)術(shù)界備受關(guān)注的重點研究的高階次系統(tǒng)，正是由于此系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，在控制領(lǐng)域中，也體現(xiàn)出了他們各自的價值。它不僅可以作為實驗性設(shè)備，而且可以還是一個代表性的數(shù)學(xué)模型。在進行研究解析之后，很多控制界的問題得以解決，這些一直困擾研究者的理論問題和實踐上遇到的技術(shù)問題。它能夠把電學(xué)、力學(xué)和數(shù)學(xué)聯(lián)系到一起，共同運用到這個系統(tǒng)中。倒立擺系統(tǒng)被人們用來驗證試驗研究的對象，曾被以為是最佳的理論方法，廣泛應(yīng)用于機器人學(xué)、伺服控制、航天、軍工等領(lǐng)域，因而研究倒立擺系統(tǒng)不僅具有很強的理論意義，而且它又具有很強的工程意義。眾所周知，自然界的許多系統(tǒng)都不穩(wěn)定的，其中最具有代表性的就是本文研究的倒立擺系統(tǒng)，我的目的就是選擇一個行之有效的控制方法來設(shè)計一個控制器，使不穩(wěn)定的一級倒立擺受控對象變成一個趨于穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。到目前為止，已涌現(xiàn)出來出來各種各種的控制算法，比如模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、狀態(tài)反饋、自適應(yīng)、PID以及變結(jié)構(gòu)等，他們都各自展現(xiàn)了其特有的控制能力。本文采用PID控制，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)倒立擺的穩(wěn)定性進行有效控制。倒立擺由于其自身是一個絕對不穩(wěn)定、多變量、強耦合的高階非線性系統(tǒng)而被廣泛研究，其控制方法多種多樣，在半導(dǎo)體及精密儀器加工、機器人控制技術(shù)、人工智能、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、航空對接控制技術(shù)、火箭發(fā)射、衛(wèi)星飛行等工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的利用開發(fā)前景。例如，機器人的站立與行走類似雙倒立擺系統(tǒng)，盡管第一臺機器人在美國問世至今已有三十年的歷史，機器人的關(guān)鍵技術(shù)——機器人的行走控制至今仍未能很好解決。在火箭等飛行器的飛行過程中，為了保持其正確的姿態(tài)，要不斷進行實時控制。通信衛(wèi)星在預(yù)先計算好的軌道和確定的位置上運行的同時，要保持其穩(wěn)定的姿態(tài)，使衛(wèi)星天線一直指向地球，使它的太陽能電池板一直指向太陽。偵察衛(wèi)星中攝像機的輕微抖動會對攝像的圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，為了提高攝像的質(zhì)量，必須能自動地保持伺服云臺的穩(wěn)定，消除震動。為防止單級火箭在拐彎時斷裂而誕生的柔性火箭，其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級倒立擺系統(tǒng)進行研究。由于倒立擺系統(tǒng)與雙足機器人，火箭飛行控制和各類伺服云臺穩(wěn)定有很大相似性，而且，倒立擺的控制方法對于我們處理一般工業(yè)工程，也有很大的借鑒。從工程背景來講，日常生活中所見的各種重心在上，支點在下的物體的穩(wěn)定問題都與倒立擺的控制有著很大的相似性。 倒立擺分類以及特性 倒立擺分類到目前為止，倒立擺已經(jīng)由原來的直線一級倒立擺擴展出很多種類，典型的有直線倒立擺，環(huán)形倒立擺，平面倒立擺和復(fù)合倒立擺等，倒立擺系統(tǒng)是在運動模塊上裝有倒立擺裝置，由于在相同的運動模塊上可以裝載不同的倒立擺裝置，倒立擺的種類由此而豐富很多，按倒立擺的結(jié)構(gòu)來分，有以下類型的倒立擺： (1) 直線倒立擺系列直線倒立擺是在直線運動模塊上裝有擺體組件，直線運動模塊有一個自由度，小車可以沿導(dǎo)軌水平運動，在小車上裝載不同的擺體組件，可以組成很多類別的倒立擺。直線柔性倒立擺和一般直線倒立擺的不同之處在于，柔性倒立擺有兩個可以沿導(dǎo)軌滑動的小車，并且在主動小車和從動小車之間增加了一個彈簧，作為柔性關(guān)節(jié)。 (2) 環(huán)形倒立擺系列環(huán)形倒立擺是在圓周運動模塊上裝有擺體組件，圓周運動模塊有一個自由度，可以圍繞齒輪中心做圓周運動，在運動手臂末端裝有擺體組件，根據(jù)擺體組件的級數(shù)和串聯(lián)或并聯(lián)的方式，可以組成很多形式的倒立擺。 (3) 平面倒立擺系列平面倒立擺是在可以做平面運動的運動模塊上裝有擺桿組件，平面運動模塊主要有兩類：一類是XY平臺，另一類是兩自由度SCARA機械臂；擺體組件也有一級、二級、三級和四級很多種。 (4) 復(fù)合倒立擺系列復(fù)合倒立擺是一類新型倒立擺，由運動本體和擺桿組件組成，其運動本體可以很方便的調(diào)整成三種模式，一是環(huán)形倒立擺，還可以把本體翻轉(zhuǎn)90度，連桿豎直向下和豎直向上組成托擺和頂擺兩種形式的倒立擺。按倒立擺的級數(shù)來分：有一級倒立擺、兩級倒立擺、三級倒立擺和四級倒立擺，一級倒立擺常用于控制理論的基礎(chǔ)實驗，多級倒立擺常用于控制算法的研究，倒立擺的級數(shù)越高，其控制難度更大，目前，可以實現(xiàn)的倒立擺控制最高為四級倒立擺。 倒立擺的特性雖然倒立擺的形式和結(jié)構(gòu)各異，但所有的倒立擺都具有以下的特性： (1) 非線性倒立擺是一個典型的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，實際中可以通過線性化得到系統(tǒng)的近似模型，線性化處理后再進行控制。也可以利用非線性控制理論對其進行控制。 (2) 不確定性主要是模型誤差以及機械傳動間隙，各種阻力等，實際控制中一般通過減少各種誤差來降低不確定性，如通過施加預(yù)緊力減少皮帶或齒輪的傳動誤差，利用滾珠軸承減少摩擦阻力等不確定因素。 (3) 耦合性倒立擺的各級擺桿之間，以及和運動模塊之間都有很強的耦合關(guān)系，在倒立擺的控制中一般都在平衡點附近進行解耦計算，忽略一些次要的耦合量。 (4) 開環(huán)不穩(wěn)定性倒立擺的平衡狀態(tài)只有兩個，即在垂直向上的狀態(tài)和垂直向下的狀態(tài)，其中垂直向上為絕對不穩(wěn)定的平衡點，垂直向下為穩(wěn)定的平衡點。 (5) 約束限制由于機構(gòu)的限制，如運動模塊行程限制，電機力矩限制等。為了制造方便和降低成本，倒立擺的結(jié)構(gòu)尺寸和電機功率都盡量要求最小，行程限制對倒立擺的擺起影響尤為突出，容易出現(xiàn)小車的撞邊現(xiàn)象。倒立擺系統(tǒng)的研究始于上世紀(jì)60年代，1966年Schacfer和Cannon應(yīng)用BangBang控制理論，將一個曲軸穩(wěn)定于倒置位置。到了20世紀(jì)60年代后期，倒立擺作為一個典型不穩(wěn)定、非線性的例證被提出。自此，對于倒立擺系統(tǒng)的研究便成了控制界關(guān)注的焦點。70年代初，根據(jù)經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論應(yīng)用極點配置法，各國學(xué)者針對不同類型的倒立擺問題設(shè)計模擬控制器，進行了較為廣泛的研究。80年代后期起，應(yīng)用模糊控制理論控制倒立擺系統(tǒng)也受到廣泛重視；1996年，張乃堯等人采用雙閉環(huán)的模糊控制方案，成功穩(wěn)定住一級倒立擺；1997年，成功應(yīng)用于一級倒立擺；程福雁等人研究了使用參變量模糊控制對二級倒立擺進行實時控制的問題。目前，把人工智能引入到倒立擺控制系統(tǒng)中的方法，也有了很大的突破；1994年8月，北航張明廉教授等人組成的人工智能小組，突破傳統(tǒng)控制理論的模式，率先在我國的實驗室里穩(wěn)定住三級倒立擺；2001年6月，北師大李洪興教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊，采用“變論域自適應(yīng)模糊控制理論”，成功實現(xiàn)四級倒立擺控制系統(tǒng)的計算機仿真實驗；次年8月，又成功實現(xiàn)全球首例四級倒立擺實物系統(tǒng)控制。至今，對倒立擺系統(tǒng)的研究已經(jīng)經(jīng)歷了一個很大的歷程，很多研究者或采用仿真的方法對倒立擺進行算法研究，建立起倒立擺數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB提供的各種控制工具箱，設(shè)計不同控制算法，通過仿真來驗證控制算法的可行性；或采用PC機、單片機、DSP等作為控制器，針對倒立擺實物進行控制研究，提出了多種控制算法，取得了很多成果。倒立擺的種類很多，有懸掛式倒立擺、平行倒立擺、環(huán)形倒立擺、平面倒立擺。倒立擺的級數(shù)可以是一級、二級、三級、四級乃至多級，倒立擺的運動軌道可以是水平的，還可以是傾斜的，控制電機可以是單電機，也可以是多級電機。目前有關(guān)倒立擺的研究主要集中在亞洲，如中國的北京師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國科技大學(xué)，日本的東京工業(yè)大學(xué)、京東電機大學(xué)、京東大學(xué)，韓國的釜山大學(xué)、忠南大學(xué)，此外，俄羅斯的圣彼得堡大學(xué)、美國的東佛羅里達大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院、波蘭的波茲南技術(shù)大學(xué)、意大利的佛羅倫薩大學(xué)也對這個領(lǐng)域有持續(xù)的研究。近年來，雖然各種新型倒立擺不斷問世，但是可自主研發(fā)并生產(chǎn)倒立擺裝置的廠家并不多。目前，國內(nèi)各高?；旧隙疾捎孟愀酃谈吖竞图幽么蠊旧a(chǎn)的系統(tǒng)，其他一些生產(chǎn)廠家還包括（韓國）奧格斯科技發(fā)展有限公司、保定航空技術(shù)實業(yè)有限公司，最近，鄭州微納科技有限公司的微納科技直線電機倒立擺的研制取得了成功。倒立擺的PID控制能夠得到普遍的應(yīng)用與其自身的特點有很大關(guān)系，首先它可以變形，而且變形之后依然可以達到一個很好的控制效果，所以今天至少有接近90%的回路在采用這種方法。由于它除具有簡單的結(jié)構(gòu)、好的魯棒性、可靠性等特點外，還有便于操作性等諸多優(yōu)點，因此它在冶金、電力、化工等工業(yè)制造生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用。但是它不可能不經(jīng)過完善改進或者創(chuàng)新而一直這樣發(fā)展下去，因為工業(yè)的需要，它必須不斷地改進來適應(yīng)控制領(lǐng)域的要求。所以后來出現(xiàn)了新的PID算法，比如位置式PID控制、增量式PID等。但是僅有這兩種最簡單基本的算法是肯定不能滿足當(dāng)今工業(yè)系統(tǒng)發(fā)展要求的，于是又激發(fā)出了很多改進后的PID算法，比如積分分段、積分分離化等。當(dāng)然了，后來很多算法便涌現(xiàn)出來了，但不管是什么算法都是基于基本算法產(chǎn)生的，通俗點就是對基本算法進行拆分、組合、添加進而衍生出其他算法。對倒立擺這樣的一個典型被控對象進行研究，無論在理論上和方法上都具有重要意義。不僅由于其級數(shù)增加而產(chǎn)生的控制難度是對人類控制能力的有力挑戰(zhàn)，更重要的是實現(xiàn)其控制穩(wěn)定的過程中不斷發(fā)現(xiàn)新的控制方法，探索新的控制理論，并進而將新的控制方法應(yīng)用到更廣泛的受控對象中。各種控制理論和方法都可以在這里得以充分實踐，并且可以促成相互間的有機結(jié)合。設(shè)計并制作一套基于單片機原理的旋轉(zhuǎn)倒立擺的控制裝置。電動機固定在支架上，通過轉(zhuǎn)軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)。擺桿通過轉(zhuǎn)軸固定在旋轉(zhuǎn)臂的一端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂在電動機驅(qū)動下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動時，帶動擺桿在垂直于旋轉(zhuǎn)臂的平面作自由旋轉(zhuǎn)。 通過設(shè)計可以實現(xiàn)以下要求：擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)（擺角 0176。）開始，驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動，并盡快使擺角達到或超過60176。~ +60176。；從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動；在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近 165176。位置，外力撤除同時，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于 5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于 90176。 本系統(tǒng)設(shè)計中利用光電編碼器來測量擺桿的角度和角速度，并且顯示在LCD1602液晶顯示屏上，其中還顯示旋轉(zhuǎn)臂的角度和角速度。這個系統(tǒng)主要由電機模塊、驅(qū)動模塊、系統(tǒng)控制模塊、顯示模塊、電源模塊、角度傳感器模塊、檢測模塊、時鐘振蕩模塊組成。 第2章 方案的比較與論證 這個系統(tǒng)主要由電機模塊、驅(qū)動模塊、系統(tǒng)控制模塊、顯示模塊、角度傳感器模塊、檢測模塊、時鐘振蕩電路模塊組成，以下分別論證這幾個模