【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 低 8 位的高 4 位和低 4 位互換 */ outportb(0x315,newlo)。 /*寫入低 8 位 */ inportb(0x314)。 /*啟動(dòng) D/A 轉(zhuǎn)換 */ } /*AD 函數(shù) */ 北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 14 頁 float adc(int num) { int i,j,k,r。 unsigned int p,q。 int data。 float ad。 outportb(0x31b,0x18)。 outportb(0x310,num)。 for(i=0。i1000。i++) outportb(0x311,0x0)。 for(i=0。i1000。i++) p=inportb(0x312)%16。 q=inportb(0x313)。 r=p*256+q。 data=r0x800。 ad=*data/0x800。 return ad。 } 界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)中上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)利用 C 語言中的繪圖函數(shù)完成。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示。界面的主要組成是四個(gè)坐標(biāo)系：倒立擺擺動(dòng)角 ? 、角速度 ?? 、小車位移 x 以及小車 速度 x? 。界面右上方通過動(dòng)畫實(shí)時(shí)顯示倒立擺的擺動(dòng)角以及小車位置。完整界面如圖 所示。 圖 倒立擺控制系統(tǒng)上位機(jī)界面截圖 北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 15 頁 6 系統(tǒng)的組裝與調(diào)試 倒立擺實(shí)現(xiàn)電路 倒立擺 電器部分由檢測(cè)路、 調(diào)零電路、計(jì)算機(jī) A/D 、 D/A 變換器 、功率放大變換器和伺服電機(jī)組成。如圖 所示。 圖 計(jì)算機(jī)控制倒立擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 在進(jìn)行模擬控制時(shí)，系統(tǒng)的工作原理為 由檢測(cè)電位器測(cè)量出擺的偏轉(zhuǎn)角度 ? 以及小車位置 x，通過 調(diào)零微分檢測(cè)電路 ， 得到 ?? 、 x? 經(jīng)過計(jì)算后輸出控制信號(hào)，通過功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)小車 向 著減少 ? 的方向移動(dòng)，從而使倒立擺達(dá)到平衡。 電路原理 如圖 所示。 圖 模擬控制 倒立擺電路原理圖 在進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制時(shí)， 系統(tǒng)的工作原理為，由檢測(cè)電位器測(cè)量出擺的偏轉(zhuǎn)角度 ? 以及小車位置 x，通過 A/D 采入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算后輸出控制信號(hào)，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換為模擬量，通過功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)小車 向 著減少 ? 的方向移動(dòng)，從而使倒立擺達(dá)到平衡。 北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 16 頁 電路原理 如圖 所示。 圖 計(jì)算機(jī)控制 倒立擺電路原理圖 系統(tǒng)調(diào)試 本裝置在拆開包裝箱后，應(yīng)檢查元件有無損壞現(xiàn)象 .將實(shí)驗(yàn)裝置安放在工作地點(diǎn)之后，把支承桿放在工作臺(tái)板面 中間位置，并固定好，然后將小車及擺移到導(dǎo)軌的中間并用支撐桿上的鉤簧勾住上擺，使上、下擺吊直 (處于鉛垂位置 )。 在通電檢查之前，檢查所有電氣部分有無損壞現(xiàn)象。電源線與傳感器連接的插頭 P5,與計(jì)算機(jī)連接的插頭 L5 等外部接插頭是否接好。通電應(yīng)在設(shè)備完好情況下進(jìn)行。在此之前電源開關(guān)應(yīng)處于 OFF 位置，控制電機(jī)與功放連接線上的功放開關(guān)也應(yīng)處于 OFF 位置。 首先，小車、倒立擺 L1 初始位置的校驗(yàn) (電源開關(guān)置 ON)。小車初始位置的校驗(yàn)：先將小車置于導(dǎo)軌的中間位置。然后用三用表測(cè)量其位移傳感器（導(dǎo)軌左側(cè)的 WXD7的多圈線繞電 位計(jì)，阻值為 10k? ）電壓值，并將負(fù)極性的表筆置傳感器端子 2， 另一表筆分別置 1 和 3，適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)動(dòng)電位計(jì)的軸使其端子 21 間， 23 間的電壓值分別為 U21=+3V， U23=3V 時(shí)，然后將電位器的軸與皮帶輪軸用螺釘固緊，這樣就基本上保證了電位器的滑臂處在其幾何中心處或電氣中心處。倒立擺初始位置的校驗(yàn)：下擺角位移1? 傳感器是一只轉(zhuǎn)角為 360176。的 WDD35D1 型的塑料導(dǎo)電電位器。電阻值為 2k? ，適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)電位器的軸使其端子 21 間， 23 間的電壓值分別為 U21=3V， U23=+3V 時(shí)，然后將擺與電位器的軸用螺釘緊固。從而保證了滑臂處在其幾何中心處或電氣中心處。 小車，倒立擺 L1 位移輸出零位調(diào)整。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(jì) (論文 ) 第 17 頁 頭 P5。小車位移 x 零位的調(diào)節(jié)：首先將“ X 運(yùn)放調(diào)零 電橋調(diào)零”撥動(dòng)開關(guān) T4 撥向“電橋調(diào)零”處，然后旋動(dòng)其左側(cè)的“ X 調(diào)零”電位器的旋鈕，并觀察“ X 測(cè)量”孔處的輸出電壓（對(duì)地）是否為零，反復(fù)調(diào)節(jié)直至輸出為零為止。倒立擺 L1 角位移 1? 零位調(diào)節(jié)：先將撥動(dòng)開關(guān) T1 轉(zhuǎn)向“電橋調(diào)零”處，然后旋動(dòng)其左側(cè)的“ 1 調(diào)零 ” 電位器的旋鈕，并觀察“ 1 測(cè)量”孔處的輸出電壓（對(duì)地）是否為零，反復(fù)調(diào)節(jié)直至輸出為零為止。 實(shí)驗(yàn)步驟 為： （ 1） 將撥動(dòng)開關(guān) T1 及 T4 撥向“電橋調(diào)零”處，以便進(jìn)行零位調(diào)節(jié)， T2 和 T3 撥向“運(yùn)放調(diào)零”處。 （ 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。 （ 3） 功放開關(guān)置“ OFF”，電源開關(guān)置“ ON”，指示燈亮，調(diào)節(jié)小車和倒立擺 L1 的零位，使“ X 測(cè)量”孔和“ 1? 、測(cè)量”孔輸出電壓均為零。 （ 4） 松開下擺的勾簧吊鉤，用手扶住擺，然后接通控制電機(jī)，即功放開關(guān)置“ ON”將手輕輕地離開擺，此時(shí)擺應(yīng)能穩(wěn)定地立住。若擺穩(wěn)定不理想時(shí)，再用手扶住擺，微調(diào)控制參數(shù) Kt，直到穩(wěn)住為止。 在 實(shí)驗(yàn)過程中， 應(yīng) 注意以下 事項(xiàng) ： （ 1）實(shí)驗(yàn)裝置不工作時(shí)，擺一定要用勾簧吊在支撐桿上，不要隨便倒在導(dǎo)軌上。 （ 2）開機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要謹(jǐn)慎小心，最好兩個(gè)人操作，一人用手將上下擺扶正，另一人啟動(dòng)開關(guān)，以防發(fā)生機(jī)件損壞。 （ 3）小車不能停留在導(dǎo)軌兩端處，否則 由于輸入信號(hào)過大損壞功放（或燒壞電機(jī)）。 （ 4）實(shí)驗(yàn)裝置使用一段時(shí)間之后，若傳動(dòng)皮帶出現(xiàn)松動(dòng)，可由工作臺(tái)面左端的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 （ 5）在電路發(fā)生故障需要進(jìn)行修理時(shí)，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(jī)件。 （ 6）在每次做完實(shí)驗(yàn)之后，應(yīng)及時(shí)切斷功放（將功放按鈕開關(guān)置“ OFF”），否則在下次開機(jī)時(shí)，小車會(huì)碰撞到導(dǎo)軌的兩端，以至使機(jī)件損壞。 （ 7）當(dāng)小車處在導(dǎo)軌的某一端時(shí)，輸入的控制信號(hào)最大，功放輸出達(dá)到最大，電機(jī)受到的控制力矩也最大，由于本機(jī)采用同步傳動(dòng)，傳動(dòng)帶與傳動(dòng)輪不能滑動(dòng)，此時(shí)電 機(jī)處在制動(dòng)狀態(tài)，傳動(dòng)帶上的齒受到的拉力為最大，因此傳動(dòng)帶與電機(jī)都有可能受到損壞， 北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 18 頁 故在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)盡量避免這種情況發(fā)生。為此在功率放大器的輸出端裝上一個(gè)保險(xiǎn)座（位于控制箱后蓋板上）將起到一定的保護(hù)作用。 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)。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)鈕，數(shù)次調(diào)試后得到能使倒立擺穩(wěn)定的參數(shù)，其中 X=， V=， K1=， K2=。 利用程序繪制的上位機(jī)界面，觀察系統(tǒng)中小車位置 x 以及倒立擺擺動(dòng)角 ? 變化曲線。觀察倒立擺的調(diào)節(jié)時(shí)間和抗干擾性。在倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定后，手動(dòng)對(duì)倒立擺擺動(dòng)角施加一定強(qiáng)度干擾，得到此時(shí)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(dòng)，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(shí)的模擬控制 系統(tǒng)實(shí)響應(yīng)曲線 如圖 所示。 圖 模擬控制倒立擺擺動(dòng)角施加干擾 根據(jù)曲線分析可得，系統(tǒng)對(duì)于擺動(dòng)角具有抗干擾性。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，若人為施加一定強(qiáng)度的干擾，系統(tǒng)經(jīng)過一定時(shí)間的振蕩可以達(dá) 到平衡。但同時(shí)也存在調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，超調(diào)量較大，系統(tǒng)略微振蕩的現(xiàn)象。 北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì) (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(duì)于擺動(dòng)角具有抗干擾性。在系統(tǒng)運(yùn)行之前，人為將小車移動(dòng)至 ，再開啟控制系統(tǒng)。根據(jù)曲線可知，倒立擺和小車在控制器作用下，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，逐漸向小車平衡位置移動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 （ 2） 計(jì)算機(jī)控制 將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制模式調(diào)至計(jì)算機(jī)控制，測(cè)試系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下的穩(wěn)定性和抗干擾性。系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)定后，人為在倒立擺擺動(dòng)角處施加一定強(qiáng)度的干擾。響應(yīng)曲線如圖 所示。從實(shí)時(shí)響應(yīng)曲線 中可以看出系統(tǒng)在擾動(dòng)后仍能夠快速地克服，且與模擬控制相比，需要較少的調(diào)節(jié)時(shí)間就能重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)值不變，且在暫態(tài)各個(gè)狀的變化量均不是太大。 重新開啟系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定化，在小車位置上施加 的干擾，可得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖 所示。根據(jù)響應(yīng)可知，小車的位置穩(wěn)定在 。同時(shí)，該控制系統(tǒng)在加入位移擾動(dòng)后依舊能夠快速地達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，且暫超調(diào)量小調(diào)節(jié)時(shí)間短，具有較好的抗干擾特性 。 北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 20 頁 圖 計(jì)算機(jī)控制倒立擺擺動(dòng)角施加干擾 圖 計(jì)算機(jī)控制小車位置施加干擾 北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 21 頁 7 收獲和體會(huì) 倒 立擺實(shí)驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)典的控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，直線倒立擺通過小車的位移控制、擺桿的角度控制達(dá)到特定的實(shí)驗(yàn)效果。在這個(gè)平臺(tái)上可以實(shí)驗(yàn)并調(diào)節(jié)各種控制方法。 在設(shè)計(jì)過程中，首先先對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行建模分析。讓我學(xué)會(huì)了對(duì)一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的物理過程進(jìn)行分析，通過列寫牛頓第二定律微分方程抽象出其在控制過程中所需要的傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間表達(dá)。 然后對(duì)所得到的控制模型對(duì)其穩(wěn)定性等性質(zhì)進(jìn)行分析，與期望特性進(jìn)行比對(duì)，從而設(shè)計(jì)出所需控制器。通過仿真結(jié)合經(jīng)典理論的控制理論分析特性曲線，調(diào)整參數(shù)得到較理想的特性曲線，并驗(yàn)證控制器的合理性，是否滿足設(shè)計(jì)要 求。 最后，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過模擬控制和計(jì)算機(jī)控制，通過不斷調(diào)試和改進(jìn)得到理想的控制效果。在這過程中也體會(huì)到了仿真與實(shí)際操作、理論與實(shí)際的差別。 通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我也有機(jī)會(huì)重溫了本科階段關(guān)于控制理論、微機(jī)原理和接口技術(shù)等課程的多方面重要知識(shí)，并將這些知識(shí)得以與實(shí)際相結(jié)合，活學(xué)活用。 最后，十分感謝袁老師在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的耐心講解與幫助，對(duì)袁老師的嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)致感到敬佩。感謝同組的同學(xué)一起合作完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，沒有每一個(gè)人的貢獻(xiàn)與合作，實(shí)驗(yàn)也不會(huì)進(jìn)行的這么順利。 希望通過這次實(shí)驗(yàn)學(xué)到的和收獲的，應(yīng)用到今后的學(xué)習(xí)、工作 中去，更大地受益于自己的發(fā)展。 參考文獻(xiàn) 1. 倒立擺控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)說明書，袁少強(qiáng) 2. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)列實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書