【正文】 基于ARM的倒立擺系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計目 錄第一章 倒立擺系統(tǒng)概述 1 倒立擺系統(tǒng)的基本概念 1 倒立擺控制模型及其原理簡介 1 倒立擺系統(tǒng)的應(yīng)用和穩(wěn)定性研究的意義 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和新趨勢 3 倒立擺控制的現(xiàn)狀和新趨勢 3 實時仿真的研究現(xiàn)狀 4 本課題的研究內(nèi)容 5第二章 單級倒立擺控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 7 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 7 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 7 控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 倒立擺的控制要求 9 倒立擺系統(tǒng)中通訊控制系統(tǒng)的選型 10 ARM最小系統(tǒng) 10 直流電機(jī)及其驅(qū)動電路 13 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理 13 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計 14 傳感器的選擇 16 旋轉(zhuǎn)編碼器的選型 18 紅外線檢測反饋 19 小車限位開關(guān) 20第三章 直線一級倒立擺的建模分析 22 一階倒立擺總體分析 22 模型參數(shù)說明 22 模型牛頓定律受力分析 23 模型受力傳遞函數(shù) 24 模型的狀態(tài)空間方程 25 系統(tǒng)分析 26第四章 倒立擺控制系統(tǒng)的算法研究比較 28 倒立擺系統(tǒng)的PID控制算法設(shè)計 28 理論分析 28 仿真實驗 31 倒立擺系統(tǒng)控制算法的狀態(tài)空間法設(shè)計 32 LQR控制器設(shè)計與調(diào)節(jié) 32 分階段起擺的控制實現(xiàn) 36 分階段起擺及其穩(wěn)擺控制器的設(shè)計 36 小車位置跟蹤 40第五章 單級倒立擺控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 41 開發(fā)軟件系統(tǒng)介紹 41 ADS集成開發(fā)環(huán)境及EasyJTAG仿真器的使用 41 42 EasyJTAG仿真器簡介 43 ARM總體設(shè)計及流程圖 44 系統(tǒng)初始化模塊 44 數(shù)據(jù)采集及濾波模塊 45 串口通信模塊 46 倒立擺倒立平衡控制控制計算實現(xiàn) 46 控制倒立擺起擺的程序 48 安全檢測 49 采樣周期選擇 49 仿真結(jié)果和實際控制情況比較 49第六章 總結(jié)和展望 51 研究總結(jié) 51 研究展望 51參考文獻(xiàn) 52致 謝 55附錄一 L298芯片 57附錄二 外圍電路 58附錄三 ARM2131開發(fā)板及其倒立擺實物圖 59附錄四 程序清單 614江西理工大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 倒立擺系統(tǒng)概述 倒立擺系統(tǒng)的基本概念倒立擺是典型的非線性控制系統(tǒng)，它的控制原理是步行機(jī)器人的研究基礎(chǔ)，也是典型機(jī)器人手臂的模型。由于它的嚴(yán)重非線性和高階次，它可以用來研究各種控制算法?，F(xiàn)實生活中有很多現(xiàn)象都是一個倒立擺的模型，比如說搬運火箭的發(fā)射車、行駛的自行車甚至直立的人。既然實際生活中存在著如此多的倒立擺現(xiàn)象，研究倒立擺的控制算法也就有著廣泛的應(yīng)用。倒立擺控制理論產(chǎn)生的方法和技術(shù)將在半導(dǎo)體及精密儀器加工、機(jī)器人技術(shù)、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、航空器對接控制技術(shù)等方面具有廣闊的開發(fā)利用前景。倒立擺按照運動方式分為直線運動的小車式倒立擺和旋轉(zhuǎn)式倒立擺。小車式倒立擺通過控制小車的運動速度，改變小車和小車上的倒立擺之間的相對速度，使倒立擺維持在平衡狀態(tài)。本文研究的便是直線運動的小車式倒立擺。旋轉(zhuǎn)式倒立擺通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度控制旋臂的角度位置和速度，從而控制擺桿的平衡。倒立擺按照擺臂的級數(shù)分為單級倒立擺、二級倒立擺、多級倒立擺。隨著級數(shù)的增長，倒立擺的模型也越來越復(fù)雜，非線性程度越來越大，其控制也越來越困難。單級倒立擺是研究多級倒立擺的基礎(chǔ)。倒立擺還可以根據(jù)擺桿的剛性程度分為剛性擺桿的倒立擺和柔性擺桿的倒立擺。剛性桿的倒立擺可以根據(jù)牛頓力學(xué)方程和能量守恒定律建立系統(tǒng)的模型，而柔性桿的倒立擺則隨著桿的柔性系數(shù)的變化而成為變結(jié)構(gòu)的倒立擺，其精確模型的建立比較困難。衛(wèi)星的太陽能電池的接收翼便是柔性桿的例子。倒立擺控制算法的研究包括：變結(jié)構(gòu)控制、擬人的智能控制算法、模糊遺傳控制算法以及預(yù)測控制等。這些算法都有一個共同點：不需要精確的數(shù)學(xué)模型。這是由于多級倒立擺模型的非線性，對它建立精確的模型是不可能的，也是沒有意義的，在這種模型上的控制就更加不確定。而對倒立擺所作的硬件應(yīng)用研究并不是很多，大部分是PC機(jī)控制的倒立擺，算法大多在MATLAB中實現(xiàn)。倒立擺作為一種實驗裝置，具有直觀、形象、簡單的特點，而且其形狀和參數(shù)都易于改變。但是作為一個被控對象，它同時又是一個相當(dāng)復(fù)雜的、高階次、多變量、非線性、強(qiáng)耦合、不確定的絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)，必須施加十分經(jīng)典而具有挑戰(zhàn)性的問題，許多新的實時控制理論都通過倒立擺控制試驗來加以驗證。從工程背景來講，小到日常生活中所見到的各種重心在上、支點在下的物體的穩(wěn)定問題，大到火箭的垂直發(fā)射控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，都與倒立擺控制有很大的相似性。因此，倒立擺成為控制領(lǐng)域中經(jīng)久不衰的研究課題，有人將它喻為“任何一個自動控制部門追求的皇冠上的明珠”。簡單的一級倒立擺可以用于自動控制的教學(xué)實驗，而復(fù)雜的兩級、三級倒立擺則可以用于更為復(fù)雜而有效的實時控制算法研究的驗證手段。 倒立擺控制模型及其原理簡介倒立擺系統(tǒng)是一個典型的多變量、非線性、強(qiáng)耦合和快速運動的自然不穩(wěn)定系統(tǒng)。在控制過程中能反映控制中的許多關(guān)鍵的問題，如鎮(zhèn)定問題[2]、非線性問題[3]、魯捧性問題[4]、隨動問題[5]以及跟蹤問題[6]等。各國專家學(xué)者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了長期不懈的研究和探索。倒立擺的智能控制方法有模糊控制[7]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[1]，云理論[8]，仿人智能控制[1]等等。倒立擺的種類很多，有懸掛式倒立擺、平行式倒立擺和球平衡式倒立擺；倒立擺的級數(shù)有一級、二級、三級、四級…；倒立擺的運動軌道可以是水平或傾斜；控制電機(jī)可以是單電機(jī)或多電機(jī)。常用的水平導(dǎo)軌的、單電機(jī)的、單級或多級倒立擺系統(tǒng)。本文介紹的一級倒立擺系統(tǒng)所采用的基本結(jié)構(gòu)是，在一條軌道上控制驅(qū)動一個小車和一個與小車自由連接的擺桿組成的車一擺系統(tǒng)。小車可以在有限長的導(dǎo)軌上自由移動，同時擺桿在垂直的平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，如圖11所示。我們知道倒立的機(jī)械擺是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，很難豎立而不到。但我們可以通過電機(jī)控制驅(qū)動小車的在導(dǎo)軌上運動，就有可能使擺桿穩(wěn)定在垂直向上的平衡位置。圖11一級倒立擺的結(jié)構(gòu)原理圖圖12 一級倒立擺閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖12所示，該系統(tǒng)由計算機(jī)、運動控制卡、驅(qū)動電機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)、倒立擺本體和光電碼盤等幾部分組成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，傳感器如光電碼盤將小車的位移信號、擺速度信號反饋給伺服驅(qū)動器和運動控制卡，擺桿的角度信號、速度信號由光電碼盤也反饋回運動控制卡。計算機(jī)從運動制卡中讀取實時數(shù)據(jù)，確定控制決策(小車向哪個方向移動、移動速度、加速度等)，并實現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，即基于這些信息和控制算法得到電機(jī)的電壓控制量，使電機(jī)帶動小車運動保持各級擺桿平衡。本設(shè)計的控制卡采用的就是ARM2131微控制器，檢測儀器采用紅外線檢測小車運動的位移信號，反饋到控制器中?？刂破鹘?jīng)過計算得到控制力驅(qū)動電機(jī)來控制倒立擺的起擺和穩(wěn)擺。 倒立擺系統(tǒng)的應(yīng)用和穩(wěn)定性研究的意義在穩(wěn)定性控制問題上，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、便于模擬和實現(xiàn)多種不同的控制方法。作為一個被控對象，它是一個高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的快速系統(tǒng)，因此只有采用行之有效的控制策略，才能使其穩(wěn)定。倒立擺系統(tǒng)可以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)[8]等都能在倒立擺系統(tǒng)控制上得以實現(xiàn)而且當(dāng)一種新的控制理論和方法提出以后，在不能用理論加以嚴(yán)格證明時，可以考慮通過倒立擺裝置來驗證其正確性和實用性。倒立擺系統(tǒng)在控制系統(tǒng)研究中受到普遍重視，“倒立擺系統(tǒng)”已被公認(rèn)為自動控制理論中的典型試驗設(shè)備，也是控制理論在教學(xué)和研究中不可多得的典型物理模型。通過對倒立擺系統(tǒng)的研究不僅可以解決控制中的理論問題還能將控制理論所涉及的三個基礎(chǔ)學(xué)科：力學(xué)、數(shù)學(xué)和控制理論(含計算機(jī))有機(jī)的結(jié)合起來,在倒立擺系統(tǒng)中進(jìn)行綜合應(yīng)用[9]。在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及在實際應(yīng)用中的可行性需要一個按其理論設(shè)計的控制器去控制一個典型對象來驗證這一理論，倒立擺就是這樣一個被控對象。倒立擺本身是一個自然不穩(wěn)定體，在控制過程中能夠有效地反映控制中的許多關(guān)鍵問題。倒立擺的典型性在于：作為一個受控裝置，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，形象直觀，便于實現(xiàn)模擬和數(shù)字兩者不同的方式的控制；作為一個被控對象，又相當(dāng)復(fù)雜，只有采取行之有效的控制方法方能使之穩(wěn)定。對倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行控制，其穩(wěn)定效果非常明了，可以通過擺動角度、位移和穩(wěn)定時間直接度量，控制好壞一目了然。理論是工程的先導(dǎo)，對倒立擺的研究不僅有其深刻的理論意義，還有重要的工程背景?？臻g飛行器和各類伺服云臺的穩(wěn)定，都和倒立擺的控制有很大的相似性。其它如海上鉆井平臺的穩(wěn)定控制、衛(wèi)星發(fā)射架的穩(wěn)、定控制火箭姿態(tài)控制、飛機(jī)安全著陸、化工過程控制等都屬于這類問題。因此對倒立擺機(jī)理的研究具有重要的理論和實際意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和新趨勢 倒立擺控制的現(xiàn)狀和新趨勢多年來，人們對倒立擺的研究越來越感興趣，倒立擺的種類也由簡單的單級倒立擺發(fā)展隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新的控制方法不斷出現(xiàn)，多年來，人們對倒立擺的研究越來越感興趣，倒立擺的種類也由簡單的單級倒立擺發(fā)展為多種形式的倒置系統(tǒng)，原因不僅在于倒置系統(tǒng)在高科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，而且在于新的控制方法不斷出現(xiàn)，人們試圖通過倒立擺這樣一個嚴(yán)格的控制對象檢驗新的控制方法是否有較強(qiáng)的處理多變量、非線性和絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)的能力，對倒置系統(tǒng)的研究在理論上和方法論上均有深遠(yuǎn)的意義。古典控制理論和現(xiàn)代控制理論的主要特征是基于模型的控制。古典控制理論主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法，能夠很好地解決單輸入單輸出問題。古典控制理論所研究的系統(tǒng)多半是線性定常系統(tǒng)，對非線性系統(tǒng)，分析時采用的相平面法一般也不超過兩個變量?，F(xiàn)代控制理論采用狀態(tài)反饋法，把經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動態(tài)過程。這種方法可以解決多輸入多輸出系統(tǒng)的問題，系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時變的。經(jīng)典控制理論提供了解決單輸入單輸出系統(tǒng)的控制方法。根據(jù)對系統(tǒng)的力學(xué)分析，應(yīng)用牛頓第二定律，建立小車在水平方向運動和擺桿旋轉(zhuǎn)運動的方程，并進(jìn)行線性化，拉氏變換，得出傳遞函數(shù)，從而得到零、極點分布情況。根據(jù)使閉環(huán)系統(tǒng)能穩(wěn)定工作的思想設(shè)計控制器，需引入適當(dāng)?shù)姆答?，使閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根都位于左平面上。用經(jīng)典控制理論的頻域法設(shè)計非最小相位系統(tǒng)的控制器并不需要十分精確的對象數(shù)學(xué)模型。因為只要控制器使系統(tǒng)具有充分大的相位裕量，就能獲得系統(tǒng)參數(shù)在很寬范圍內(nèi)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論相比有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，從分析、設(shè)計到綜合都有比較完整的理論和方法。據(jù)目前國內(nèi)外已有資料來看，已有用現(xiàn)代控制理論方法解決倒立擺平衡問題的記載[1013]，本文就是用現(xiàn)代控制的狀態(tài)反饋法設(shè)計穩(wěn)定控制器的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，被控對象日趨復(fù)雜，對控制性能的要求不斷提高，使傳統(tǒng)控制理論面臨新的挑戰(zhàn)。眾所周知，被控對象愈復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型愈難精確。加上系統(tǒng)本身的非線性以及某些不確定性，針對線性化模型進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計的各種理論對解決這些復(fù)雜系統(tǒng)無能為力。在這樣復(fù)雜對象的控制問題面前，人們把人工智能的方法引入控制系統(tǒng)，得到控制上的新突破。相應(yīng)的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是智能控制的重要方面，它們對倒立擺系統(tǒng)控制上起到了很大的作用。模糊邏輯控制通過確定模糊規(guī)則，設(shè)計出模糊控制器實現(xiàn)對倒立擺的控制。由于模糊控制理論目前尚無簡單、實用的方法處理多變量問題，故用合適的方法處理擺多變量之間的關(guān)系，仍是其要解決的中心問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是指利用工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能的一種技術(shù)系統(tǒng)，它是一種大規(guī)模并行的非線性動力學(xué)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有信息的分布存儲、并行處理以及自學(xué)習(xí)能力等優(yōu)點。用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法來實現(xiàn)倒立擺的平衡控制，至今己經(jīng)取得了不少成果。突加干擾時倒立擺的自恢復(fù)能力和大偏差的穩(wěn)定性處理，是一個很實用的研究方向，另外，用新的控制方法如基于BackStepping[1415]的方法及RBFARX[1617]模型的控制，仍是檢驗新的控制方法是否有較強(qiáng)的處理非線性、絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)的有力例證。 實時仿真的研究現(xiàn)狀仿真是對現(xiàn)實系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進(jìn)行試驗，從中得到所需的信息，然后幫助人們對現(xiàn)實世界的某一層次的問題做出決策。仿真是一個相對概念，任何逼真的仿真都只能是對真實系統(tǒng)某些屬性的逼近。仿真是有層次的，既要針對所欲處理的客觀系統(tǒng)的問題，又要針對提出處理者的需求層次，否則很難評價一個仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣。仿真是檢測控制算法對倒立擺系統(tǒng)影響的一個非常重要的手段，在以往的倒立擺系統(tǒng)的仿真研究中應(yīng)用的仿真方式多為半物理仿真[18]。即將各種控制方法編寫成控制程序，通過運動控制卡對倒立擺實體進(jìn)行控制，觀察其控制效果，然后根據(jù)控制效果再來調(diào)整控制器的參數(shù)，如此反復(fù)，直至達(dá)到所要求的性能指標(biāo)為止。顯然，這種用被控對象實體進(jìn)行仿真所得到的控制器在控制效果上可以得到保證，但是其仿真調(diào)試時間必然會比較長。也有研究者利用MATLAB提供的VRealm Builder[19]虛擬現(xiàn)實工具箱建立倒立擺三維虛擬場景，將倒立擺三維虛擬場景和Simulink中倒立擺仿真模型連接起來，實現(xiàn)了虛擬倒立擺的仿真，其界面的“沉浸性”和“交互性”很強(qiáng)，但是卻無法滿足“實時性”的要求。為了達(dá)到實時仿真的目的，有些學(xué)者將第三方軟件DSPACE[20]與MATLAB/Simulink結(jié)合起來，或者用多臺PC機(jī)分別建立基于Matlab/Simulink RTW Target實時仿真環(huán)境的控制平臺和基于Matlab/Simulink Xpc Target實時仿真環(huán)境的仿真平臺[21]，然后通過PC機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊來達(dá)到實時仿真的目的。其仿真方案雖然可行，但是顯然過于復(fù)雜，實現(xiàn)起來比較困難。因此，本研究擬采用易于硬件讀寫的C語言設(shè)計一個基于ARM的單級倒立擺的實時仿真平臺。 本課題的研究內(nèi)容本論文的主要工作是使用ARM2131實