簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置倒立排設(shè)計(jì)報(bào)告-資料下載頁
2024-10-08 13:02本頁面
【導(dǎo)讀】往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動(dòng)，并盡快使擺角達(dá)到或超過-60°~+60°；旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不大于90°。擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于10s；轉(zhuǎn)過角度達(dá)到或超過360°；FPGA內(nèi)部具有獨(dú)立的I/O接口和邏輯單元，使用靈活，適用。雜邏輯電路設(shè)計(jì)。但是FPGA的成本偏高，算術(shù)運(yùn)算能力不強(qiáng)，而且由于本設(shè)計(jì)對輸出處。用模擬電路來產(chǎn)生電機(jī)的控制信號。對于脈寬調(diào)制信號的脈寬變換，常用的一。雖然其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過缺點(diǎn)，但價(jià)格昂貴而且我們對其并不熟悉。我們采用STM32F103RCT6，該款單片機(jī)資源豐。轉(zhuǎn)角精度單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到電機(jī)，方案一：采用ADXL456三軸加速度作為角度傳感器來獲得X,Y,Z軸的加速度數(shù)據(jù)，但因數(shù)據(jù)更新慢，無法正確反饋角度，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)，擺桿擺動(dòng)，切向方。界干擾比較大，所以放棄此方案。過AD測出電壓值，角度與電壓值呈線性關(guān)系。鑒于上面分析，角度傳感器采用方案二。本系統(tǒng)附加了矩陣鍵盤模式選擇和LCD顯示兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)控制。STM32F103RCT6，本系統(tǒng)用到TIM1的定時(shí)中斷，A/D轉(zhuǎn)換。
【正文】 可以看出，系統(tǒng)在 ，但是存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。為消除穩(wěn)態(tài)誤差，我們增加積分參數(shù) iK ，令 40?PK ， 20?iK ， 10?DK ，得到以下仿真結(jié)果如圖 ： 圖 PID控制仿真結(jié)果圖 （ Kp＝ 40， Ki＝ 20， Kd＝ 4） 從上面仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)可以較好的穩(wěn)定，但由于積分因素的影響，穩(wěn)定時(shí)間明顯增大。 20 PID控制器的設(shè)計(jì)仿真除了應(yīng)用 Simulink環(huán)境進(jìn)行仿真，也可以采用編寫 M文件的方法進(jìn)行系統(tǒng)仿真。 如果采用 M文件進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，其得到的結(jié)果就如圖 ： 圖 PID控制 MATLAB仿真結(jié)果（脈沖干擾） 具體的旋轉(zhuǎn)一級倒立擺 PID控制 MATLAB仿真程序見 附錄 A。 前面已經(jīng)得到了旋轉(zhuǎn)一級倒立擺的狀態(tài)空間模型，以旋轉(zhuǎn)臂加速度作為輸入的系統(tǒng)狀態(tài)方程為： 39。..0001000001 uxxxy?????????????????????????????????????? (20) 于是有： ?????????????100000000010A ；?????????????3010B ； ??????? 0100 0001C； ??????? 00D 對于如上所述的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)控制器，要求系統(tǒng)具有較短的調(diào)整時(shí)間（約 3秒）和合適的阻尼（阻尼比 ?? ）。 21 (1) 首先對系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析。由于 系統(tǒng)的狀態(tài)完全可控性矩陣的秩等于系統(tǒng)的狀態(tài)變量維數(shù)，系統(tǒng)的輸出完全可控性矩陣的秩等于系統(tǒng)輸出向量 y 的維數(shù)，所以系統(tǒng)可控。 (2) 計(jì)算特征值。根據(jù)要求，并留有一定的裕量（設(shè)調(diào)整時(shí)間為 2秒），選取期望的閉環(huán)極點(diǎn) is ?? （ i=1,2,3,4） ,其中： 101 ??? 。 102 ??? 。 3223 j???? 。 3224 j???? 這里 3? ， 4? 是 一對具有 ?? ， 4?n? 的主導(dǎo)閉環(huán)極點(diǎn)， 1? ， 2? 位于主導(dǎo)閉環(huán)極點(diǎn)的左邊，因此其影響較小，因此期望的特征方程為： 160072019624 )322)(322)(10)(10())()()(( 234 4321 ????? ??????????? ssss jsjsssssss ???? (21) 因此可以得到： 241?? ， 1962 ?? ， 7203 ?? ， 16004 ?? 由系統(tǒng)的特征方程： 24 100000001ssssssAsI ??????????????????? (22) 因此有 01?a ， ??a ， 03?a ， 04?a 系統(tǒng)的反饋增益矩陣為： ? ? 111223344 ?????? TaaaaK ???? ??? (23) (3) 于是有狀態(tài)反饋增益矩陣 K 為： 22 ? ?? ?? ?111223344?????????????????????????????????? TaaaaK ???? 得到控制量為： .. ??? ?????? xxKX (24) 狀態(tài)空間極點(diǎn)配置法也可采用 M文件仿真，運(yùn)行后得到以下結(jié)果如圖 ： 圖 極點(diǎn)配置仿真圖 由圖 ，在給定系統(tǒng)干擾后，倒立擺可以在 2秒內(nèi)很好的回到平衡位置，滿足設(shè)計(jì)要求。 23 主要功能模塊程序流程圖 開始 24 程序清單 6 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)的測試方案 模式 1 為基本要求 1：使擺動(dòng)角度超 60 或 +60 度，通過反復(fù)試驗(yàn)，記錄擺桿的擺角，控制 PWM 的占空比與，換向時(shí)間，從而測出適合要求 1的電機(jī)轉(zhuǎn)速與搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度。 模式 2為基本要求 2：使擺桿做圓周運(yùn)動(dòng)，在要求 1 的基礎(chǔ)上加大 PWM 占空比和換向時(shí)間，從而增大電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和擺桿的擺角，使擺桿做圓周運(yùn)動(dòng)。 模式 3為基本要求 3：使擺桿從 165 或 +165 自動(dòng)倒立平衡超過 5S。 我們采用 PID 算法，反饋量為擺桿角度，輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，達(dá)到擺桿倒立平衡 模式 4 為發(fā)揮部分 1：使擺桿從垂直狀態(tài)，到倒立平衡 10s。 在模式 3的基礎(chǔ)上增加一個(gè)上擺的動(dòng)作，使擺桿剛好擺到垂直位置 通過調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，達(dá)到擺桿倒立平衡 。 模式 5為發(fā)揮部分 2：在外界干擾下仍然保持倒立平衡，我們?nèi)圆捎媚Ｊ?4 的程序代碼，敲擊擺桿，調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，是持續(xù)保持倒立平衡。 模式 6為發(fā)揮部分 3：在 加 50克砝碼 仍然保持倒立平衡，我們?nèi)圆捎媚Ｊ?4 的程序代碼，調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，是持續(xù)保持倒立平衡。 測試儀器 系統(tǒng)所采用的測量工具主要由萬用表， 秒表， 5克砝碼， 量角器等儀器儀表。 測試結(jié)果 擺 60 度測試： 在模式選擇后擺桿擺動(dòng)一個(gè)來回后，擺角超過正負(fù) 60 度，擺動(dòng)連續(xù)穩(wěn)定，符合要求 25 圓周運(yùn)動(dòng)測試：擺桿在兩個(gè)來回后順利做圓周運(yùn)動(dòng)。 倒立平衡測試：在擺桿 165 度， 擺桿迅速自動(dòng)達(dá)到倒立平衡。 從垂直位置倒立平衡：經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，無法穩(wěn)定。 7 總結(jié) 本文分析了基于旋轉(zhuǎn)倒立擺的 擺的平衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，結(jié)合了單片機(jī)控制設(shè)計(jì)了平板控制系統(tǒng)。主要研究工作有以下幾個(gè)方面。 對測控系統(tǒng)的原理和組成進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，確定了控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。 確定系統(tǒng)的主控模塊，檢測模塊，電源模塊，驅(qū)動(dòng)模塊的的電路設(shè)計(jì) 。 以 STM公司的 STM32F103RCT6 為核心，進(jìn)行完成系統(tǒng)所需的各硬件所需的原理圖，采用了 DOURNS 3590 對電壓 進(jìn)行測量，從而換算成角度，并對傳感器的輸出進(jìn)行了非線性校正以及一系列處理，提高了檢測系統(tǒng)的可靠性。 完成相關(guān)的分析算法 和各個(gè)功能模塊的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了擺桿 的平衡控制。整個(gè)軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，使程序便于移植。 分析了控制系統(tǒng)中可能存在的各種干擾源，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，采用軟件和 硬件抗干擾技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)，保證了控制系統(tǒng)的可 靠性 8 參考文獻(xiàn) 1.《電機(jī)學(xué)》 翟慶志 //李艷軍 //劉明丹 //吳利斌 中國電力出版社 202004 2.《全國大學(xué)生電 子設(shè)計(jì)競賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 黃智偉 北京行洪航天大學(xué)出版社 202002 3.《全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽常用電路模塊制作》 黃智偉 北京行洪航天大學(xué)出版社 202001 4.《全國大學(xué)生電 子設(shè)計(jì)競賽制作實(shí)訓(xùn)》 黃智偉 北京行洪航天大學(xué)出版社 202001 26
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