【正文】 )()()()()(m M LMmImLIdm M LMmIgLmcm M LMmImlbm M LMmIgMmmLa???????????????? 選擇擺桿的傾斜角度 ? 和小車的水平位移 x 作為系統(tǒng)的輸出，則輸出方程為： ? ? Cxxxxxy ??????????????43210100 根據(jù)金棒 2 型 倒 立 擺 系 統(tǒng) 實 驗 平 臺 的 參 數(shù) ，kgNg /10,m0 . 0 0 1 6 5 4 k g=I，0 . 1 5 8 m=L，0 . 6 k g=M，0 . 2 k g=m 2 ??。 圖 計算機控制 倒立擺電路原理圖 北京航空航天大學(xué)設(shè)計 (論文 ) 第 4 頁 3 建立數(shù)學(xué)模型 單級倒立擺系統(tǒng)的建?？刹捎檬芰Ψ治龌?Lagrange 方程建立得到。 電路原理 如圖 所示。 其中 倒立擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為機械和電器控制系統(tǒng)兩部分組成 ,機械部分的由小車、導(dǎo)軌、皮帶輪 和 擺組成 ,其結(jié)構(gòu)如圖 所示 : 圖 倒立擺實驗平臺機械部分組成 電器部 分由檢測路、 調(diào)零電路、計算機 A/D 、 D/A 變換器 、功率放大變換器和伺服電機組成。 45 厘米內(nèi)運動 北京航空航天大學(xué)設(shè)計 (論文 ) 第 2 頁 2 系統(tǒng)的組成和工作原理 系統(tǒng)的組成 實驗設(shè)備 本實驗所用到的實驗設(shè)備如下： （ 1）金棒 2 型倒立擺系統(tǒng)實驗平臺。 北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 現(xiàn)代控制理論實驗 報告 倒立擺控制系統(tǒng) 學(xué)院名稱 專業(yè)方向 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 日 期 目 錄 1 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)及技術(shù)指標(biāo) ………………… ......…… ..… ..……… ..…… ..…………… .1 2 系統(tǒng)的組成和工作原理 …………… ........................… ..………… ..………………… ...2 系統(tǒng)的組成 ……………… ..………………… ..…………… ..………………… ..2 工作原理 ……………… .… .............................................… ...………………… ...2 3 建立數(shù)學(xué)模型 …… …………… ....................................……… ...…… ……………… ....4 4 系統(tǒng)設(shè)計與仿真 …… …… ..… ..................................………… ...…………………… ....7 系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計 ..…………… ..…………………………………………………… ..7 系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計 ..………… .… ...........................................… .…………………… ...7 系統(tǒng)仿真 ......……………… ..…………………………………………………… ..8 分析與結(jié)論 …… ......…… .… ...........................................… .…………………… ...9 5 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) …… …… ............……………… ...…………………… ....10 模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 ....…………………………………………………… ..10 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案（硬件、軟件） ..............… .…………………… ...10 實時控制軟件框圖 ..……… ..……………… …………………………………… ..11 數(shù)據(jù)采集與模擬量輸出 ...… ...........................................… .…………………… ...12 界面設(shè)計與實現(xiàn) ..……… .… ...........................................… .…………………… ...14 6 系統(tǒng)的組裝與調(diào)試 …… …………… ............................……… ...…………………… ....15 倒立擺實現(xiàn)電路 ..………… ..…………………………………………………… ..15 系統(tǒng)調(diào)試 ..……………… .… ...........................................… .…………………… ...16 系統(tǒng)性能分析與結(jié)論 ..…… ..…………………………………………………… ..18 7 收獲和體會 …… …………………… ...… .........................................………………… ...21 參考文獻 ………………………………………………………… ………………………… .21 附錄 ………………………………………………………………………………………… .22 北京航空航天大學(xué)設(shè)計 (論文 ) 第 1 頁 1 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)及技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計任務(wù) 現(xiàn)代控制理論實驗設(shè)計任務(wù)為： （ 1）了解倒立擺系統(tǒng)的組成和工作原理。 （ 2） PC 機一臺。如圖 所示。 圖 模擬控制 倒立擺電路原理圖 在進行計算機控制時， 系統(tǒng)的工作原理為，由檢測電位器測量出擺的偏轉(zhuǎn)角度 ? 以及小車位置 x，通過 A/D 采入計算機，經(jīng)過計算后輸出控制信號，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換為模擬量，通過功率放大器放大后驅(qū)動伺服電機。這 里采用受力分析方法建模。同時， 北京航空航天大學(xué)設(shè)計 (論文 ) 第 6 頁 這里建模時候使用的 u是以力作為輸入信號的，而實際系統(tǒng)采用的是以電壓作為輸入信號的，通過電機做了一定的轉(zhuǎn)化，這里約定：先暫時以力作為輸入信號，最后再統(tǒng)一做處理。在實際中要求小車控制在177。其中 ? ?BABAABBU n 12 ... ?? 。有一個極點分布在左半平面，系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于原系統(tǒng)是自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，加入控制器后的閉環(huán)系統(tǒng)必須保證其穩(wěn)定性，所以系統(tǒng)所有幾點都應(yīng)在復(fù)平面的左半部分。 系統(tǒng)仿真 圖 為系統(tǒng)通過 simulink 進行仿真的框圖。因此需通過設(shè)計控制器構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)使其穩(wěn)定，并達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。同時，在仿真中， 對系統(tǒng)在第 10s 加入一個強度為 1 的擾動，系統(tǒng)在擾動后，經(jīng)短時間 的波動恢復(fù)穩(wěn)定，具有良好的抗干擾性。和實驗相關(guān)的主要是檢測電路和變換放大電路。 （ 2） 軟件 設(shè)計方案 在 進行軟件部分設(shè)計時，應(yīng) 利用硬件 定時器實現(xiàn) 周期 為 5 毫秒 的采樣 。 開啟 AD/DA， 進行數(shù)據(jù) 的 采集 和 轉(zhuǎn)換。5 伏的電壓轉(zhuǎn)化為 12 位的數(shù)字信號，也可將 12 位的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為177。具體地址定義及選用 A/D 通道說明參見表 。同理在對計算所得的輸出量進行輸出的過程中，要考慮的因素有： DA的變換作用，輸出通道末端功率放大器本身 倍的放大作用，以及力矩電機電壓和力矩之間的關(guān)系等因素。 unsigned char lo,hi,newhi,newlo。 /*高 8 位 */ newhi=hi%16*16+(int)hi/16。 /*寫入低 8 位 */ inportb(0x314)。 float ad。i1000。i++) p=inportb(0x312)%16。 ad=*data/0x800。界面的主要組成是四個坐標(biāo)系：倒立擺擺動角 ? 、角速度 ?? 、小車位移 x 以及小車 速度 x? 。如圖 所示。 圖 模擬控制 倒立擺電路原理圖 在進行計算機控制時， 系統(tǒng)的工作原理為，由檢測電位器測量出擺的偏轉(zhuǎn)角度 ? 以及小車位置 x，通過 A/D 采入計算機，經(jīng)過計算后輸出控制信號，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換為模擬量，通過功率放大器放大后驅(qū)動伺服電機。 在通電檢查之前，檢查所有電氣部分有無損壞現(xiàn)象。 首先，小車、倒立擺 L1 初始位置的校驗 (電源開關(guān)置 ON)。的 WDD35D1 型的塑料導(dǎo)電電位器。在零位調(diào)整之前，一定要接上后蓋板上的插 北京航空航天大學(xué)設(shè)計 (論文 ) 第 17 頁 頭 P5。 （ 2） 調(diào)節(jié)電位器 K1， K2， K3 和 K4 ，使其極性和讀數(shù)處在相應(yīng)的位置上。 在 實驗過程中， 應(yīng) 注意以下 事項 ： （ 1）實驗裝置不工作時，擺一定要用勾簧吊在支撐桿上，不要隨便倒在導(dǎo)軌上。 （ 5）在電路發(fā)生故障需要進行修理時，應(yīng)切斷電源，以免不小心開啟電源，小車撞到導(dǎo)軌支架上而損壞機件。 系統(tǒng)性能分析與結(jié)論 （ 1）模擬控制 極性調(diào)整和零完成后，可通過旋鈕節(jié)相關(guān)參數(shù)，使倒立擺處于穩(wěn)定狀態(tài)。在倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定后，手動對倒立擺擺動角施加一定強度干擾，得到此時系統(tǒng)相應(yīng)曲線 如圖 所示； 施加位置干擾，在位置上施加 m的擾動，小車經(jīng)過快速調(diào)整后，倒立擺系統(tǒng)仍舊能達(dá)到穩(wěn)態(tài)位置，得到此時的模擬控制 系統(tǒng)實響應(yīng)曲線 如圖 所示。 北京航空航天大學(xué)設(shè)計 (論文 ) 第 19 頁 圖 模擬控制小車位置施加干擾 根據(jù)曲線分析可得，系統(tǒng)對于擺動角具有抗干擾性。系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)定后，人為在倒立擺擺動角處施加一定強度的干擾。根據(jù)響應(yīng)可知，小車的位置穩(wěn)定在 。 在設(shè)計過程中，首先先對控制對象進行建模分析。 最后，在實驗平臺上，通過模擬控制和計算機控制，通過不斷調(diào)試和改進得到理想的控制效果。感謝同組的同學(xué)一起合作完成了這個實驗，沒有每一個人的貢獻與合作，實驗也不會進行的這么順利。 /* 和 gd = VGA,gm = VGAHI 是同樣效果 */ registerbgidriver(EGAVGA_driver)。 } void draw(void) { float i,j,xs。 /*畫車架子以及兩個邊框 */ setcolor(6)。 bar(5,0,375,478)。