【正文】 這個(gè)是ARM。ARM的調(diào)試是方法有多種方法，如：基于JTAG的調(diào)試方法、基于Angel的調(diào)試方法、基于仿真頭的調(diào)試方法等。AXD調(diào)試器主窗口如圖 53所示。圖 52 CodeWarrior IDE主窗口AXD 調(diào)試器簡(jiǎn)介AXD調(diào)試器為ARM擴(kuò)展調(diào)試器（即ARM eXtended Debugger），包括ADW/ADU的所有特性，支持硬件仿真和軟件仿真(ARMulator)。CodeWarrior IDE 簡(jiǎn)介ADS 使用了CodeWarrior IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，并集成了ARM匯編器、ARM的C/C++編譯器、Thumb的C/C++編譯器、ARM連接器，包含工程管理器、代碼生成接口、語(yǔ)法敏感（對(duì)關(guān)鍵字以不同顏色顯示）編輯器、源文件和類瀏覽器等等。 ，如表 51所列。：(1) 支持軟件調(diào)試及JTAG硬件仿真調(diào)試；(2) 支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器；(3) 支持匯編、C、C++源程序，編譯效率高，系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)；(4) 可以在Windows9Windows XP、Windows2000以及RedHat Linux上運(yùn)行；(5) 支持單步、全速和斷點(diǎn)等調(diào)試功能。ADS包含的內(nèi)容如圖 51所示。ADS開(kāi)發(fā)工具分為兩個(gè)部分：一個(gè)是編譯、鏈接工具CodeWarrior for ARM Developer Suite（簡(jiǎn)稱CodeWarrior for ADS）；另一個(gè)是仿真調(diào)試工具ARM eXtended Debugger，簡(jiǎn)稱AXD。因此，設(shè)計(jì)者在選擇實(shí)時(shí)處理器時(shí)都非?？粗叵冗M(jìn)的易于使用的開(kāi)發(fā)工具。下面介紹本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。第五章 單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)所使用的軟件是本系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到控制器的性能、功能的實(shí)現(xiàn)和本系統(tǒng)的穩(wěn)定。圖410是小車位置調(diào)節(jié)時(shí)擺角和小車位移隨時(shí)間變化曲線。 小車位置跟蹤對(duì)第二階段設(shè)計(jì)的控制器，我們對(duì)其跟蹤性能作進(jìn)一步考察。因此，當(dāng)切換角度一定時(shí)，抖動(dòng)距離大說(shuō)明超調(diào)量大，小車滑動(dòng)距離的大小可以在某種程度上作為算法好壞的準(zhǔn)則；當(dāng)滑動(dòng)行程一定時(shí)，起擺的切換角度越大說(shuō)明算法的魯棒性越強(qiáng)。在上述三個(gè)階段中，出現(xiàn)了兩次不同算法間的切換，而在切換過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，因此，有必要對(duì)切換的條件作討論。由上面的討論可知，第二階段設(shè)計(jì)出來(lái)的控制器也可以作為一個(gè)穩(wěn)擺控制器，增加此過(guò)渡過(guò)程的目的是為了提高起擺的魯棒性。由圖可知，小車與擺角均漸近穩(wěn)定。兩者結(jié)合可得： 該控制器可以控制擺桿保持平衡的同時(shí)，跟蹤小車的位置。假設(shè)全狀態(tài)反饋可以實(shí)現(xiàn)，找出確定反饋控制規(guī)律的向量K。取性能指標(biāo)為， 其中Q= diag{10,0。在最優(yōu)控制理論中，利用線性二次型性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的控制器稱作LQR控制器。考慮以下單輸人非線性系統(tǒng)： 其中，和是2階可微非線性向量。針對(duì)擺的角度系統(tǒng)，Chu Jian[35]采用一種改進(jìn)的精確線性化方法設(shè)計(jì)非線性控制器，據(jù)仿真效果圖可以看出，這種控制器的吸引域?yàn)槠x垂直向上方向正負(fù)，但此時(shí)得到的控制器不能實(shí)現(xiàn)對(duì)小車位移的控制，且受設(shè)備的限制可行的吸引域也相應(yīng)減小。 設(shè)計(jì)對(duì)擺角控制性能良好且可保證小車收斂到原點(diǎn)的控制律，使得擺桿從水平面上一個(gè)較大角域(即第一階段的終值) 擺動(dòng)到最高點(diǎn)附近或要求的穩(wěn)擺算法切換角。基于這種算法的起擺控制器在大多情況下也能把擺桿擺動(dòng)到最高點(diǎn)，但值得注意的是，當(dāng)穩(wěn)擺算法穩(wěn)定性較差時(shí)，此控制律成功起擺可靠性大大降低。該倒立擺系統(tǒng)的能量為： ，因此，其中，為水平向右方向的作用力，即模型中的，應(yīng)用Lyapunov方法，令能量函數(shù)，為最高點(diǎn)能量，則：，因此，令：，為增益矩陣。 第一階段：基于Lyapunov能量反饋的控制律。相應(yīng)地，我們通過(guò)設(shè)計(jì)幾種相對(duì)簡(jiǎn)單的算法對(duì)起擺過(guò)程進(jìn)行分階段控制，以獲得事半功倍的效果。為此，我們考慮倒立擺起擺過(guò)程自身的特點(diǎn)，利用這些特點(diǎn)簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)。為了達(dá)到上述控制目標(biāo)，一個(gè)可行的方法是在整個(gè)起擺過(guò)程的算法設(shè)計(jì)中，同時(shí)考慮擺角與小車位移的影響[34]。對(duì)于實(shí)際設(shè)備，導(dǎo)軌的長(zhǎng)度是有限的，從而小車的位移也是受限的，即，因此,在設(shè)計(jì)算法時(shí)必須考慮這一約束。但該周期性外力卻不容易確定，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大。由物理學(xué)可知，當(dāng)加在振子上的周期性外力的頻率等于振子的固有頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振。由于要照原樣利用記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)，一則數(shù)據(jù)量大，二則十分死板，一旦擺特性或運(yùn)動(dòng)環(huán)境發(fā)生變化、力矩受限的大小變化，原來(lái)的數(shù)據(jù)就不能運(yùn)用，必須重新學(xué)習(xí)訓(xùn)練，記錄新的數(shù)據(jù)，應(yīng)用起來(lái)十分不便。然后利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行再生實(shí)時(shí)控制。在這種方法中，人通過(guò)操作器直接控制擺的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，使擺擺起倒立。但目前如下幾種方法已成功實(shí)現(xiàn)倒立擺的起擺控制。擺桿起擺過(guò)程的狀態(tài)如圖48所示：圖48 擺桿狀態(tài)過(guò)程圖最后，對(duì)控制器的跟蹤性能作相應(yīng)的討論。圖 412倒立擺控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)(三)此時(shí)小車的位置跟蹤輸入信號(hào)，并且，擺桿角度超調(diào)足夠小，穩(wěn)態(tài)誤差滿足要求，穩(wěn)定時(shí)間也不超過(guò)2秒，達(dá)到了良好的控制效果，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)[33]。這就使得輸入與反饋的量綱不一致，因此，為了使輸入與反饋的量綱互相匹配，給輸入乘以增益，如圖所示：用函數(shù)來(lái)計(jì)算:，可以看出，實(shí)際上和向量中與小車位置對(duì)應(yīng)的那一項(xiàng)相等。反復(fù)試驗(yàn)，這里取，則，響應(yīng)曲線如圖410所示：圖 411倒立擺控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)(二) 現(xiàn)在，要消除穩(wěn)態(tài)誤差。可以發(fā)現(xiàn)，矩陣中，增加、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有明顯改善，即穩(wěn)定時(shí)間和上升時(shí)間變短，并且使擺桿的角度變化減小。從圖中可以看出，響應(yīng)的超調(diào)量很小，但穩(wěn)定時(shí)間和上升時(shí)間偏大，小車的位置沒(méi)有跟蹤輸入，不滿足倒立擺系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。 DC=[D]。 BC=[B]。其中，代表小車位置的權(quán)重，而是擺桿角度的權(quán)重，輸入的權(quán)重是1。最簡(jiǎn)單的情況是假設(shè)。用Matlab中的函數(shù)，也可以得到最優(yōu)控制器對(duì)應(yīng)的。設(shè)計(jì)的第一步是確定系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，用Matlab程序可以求出開(kāi)環(huán)極點(diǎn)為0，可以看出，有一個(gè)極點(diǎn)位于右半平面，這說(shuō)明開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖中，是施加在小車上的階躍輸入，四個(gè)狀態(tài)量和分別代表小車位移、小車速度、擺桿位置和擺桿角速度，輸出包括小車位置和擺桿角度。系統(tǒng)狀態(tài)方程為 這個(gè)問(wèn)題可以使用完全狀態(tài)反饋來(lái)解決。命令格式為：[K，P，E]=LQR(A，B，Q，R)式中，A，B，Q，R矩陣定義加上。為使最小，由最小值原理得到最優(yōu)狀態(tài)反饋控制為：。其中、決定了系統(tǒng)誤差與控制能量消耗之間的相對(duì)重要性。 理論分析使用線性二次型最優(yōu)控制器進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正的最大優(yōu)點(diǎn)就是不必根據(jù)要求的性能指標(biāo)確定閉環(huán)極點(diǎn)的位置，只需根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線尋找合適的狀態(tài)變量和控制量的加權(quán)矩陣即可。其中線性二次型性能指標(biāo)因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)求解Riccati方程得到控制器參數(shù)，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，求解過(guò)程變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，并且各種問(wèn)題的二次型公式的優(yōu)點(diǎn)是它們可以導(dǎo)出易于實(shí)現(xiàn)和分析的線性控制律，因而在線性多變量系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣。現(xiàn)在，我們把系統(tǒng)當(dāng)作多輸出系統(tǒng)，并且用狀態(tài)空間法,即最優(yōu)二次型控制方法設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)擺桿位置和小車位移都進(jìn)行控制的控制器。 倒立擺系統(tǒng)控制算法的狀態(tài)空間法設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入是脈沖量，并且在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，只對(duì)擺桿角度進(jìn)行控制，而不考慮小車的位移。這說(shuō)明PID調(diào)節(jié)器是有效的。 PID控制器仿真將上面得到的一組參數(shù)為PID控制器的控制參數(shù)，仿真實(shí)驗(yàn)建立在Matlab中的Simulink工具箱，系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖45如下：圖 46 PID算法下系統(tǒng)響應(yīng)曲線1) 小車位置變化的仿真結(jié)果圖47如下圖 48 PID算法下小車位置響應(yīng)曲線PID控制原理簡(jiǎn)單，使用方便。用此規(guī)則確定比例增益KP，積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td，是建立在己知被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上。PID的控制器的控制質(zhì)量如何，很大程度取決于PID的三個(gè)參數(shù)KP，Ti，Td。增大積分時(shí)間Ti，有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差消除將隨之減慢。下面我們來(lái)求，根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)二的推導(dǎo)，有可以推出小車位置的傳遞函數(shù)為 (45)其中 可以看出，小車的算式可以簡(jiǎn)化成： (46) 仿真實(shí)驗(yàn) PID控制器結(jié)構(gòu)PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (47)其傳遞函數(shù)見(jiàn)式（），加大比例系數(shù)KP，一般將加大系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。小車位置輸出為： (44)其中分別代表被控對(duì)象1和被控對(duì)象2傳遞函數(shù)的分子和分母。由于輸入信號(hào)，所以可以把結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換成：其中，反饋環(huán)代表我們前面設(shè)計(jì)的擺桿的控制器?？紤]到輸入，結(jié)構(gòu)圖可以很容易的變換成該系統(tǒng)的輸出為 (41)其中，—被控對(duì)象傳遞函數(shù)的分子項(xiàng) —被控對(duì)象傳遞函數(shù)的分母項(xiàng) 控制器傳遞函數(shù)的分子項(xiàng) 控制器傳遞函數(shù)的分母項(xiàng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是 (42)其中 PID控制器的傳遞函數(shù)為 (43)只需調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，就可以得到滿意的控制效果[26]。在倒立擺控制系統(tǒng)中，輸出量為擺桿的位置，它的初始位置為垂直向上，我們給系統(tǒng)施加一個(gè)擾動(dòng)，觀察擺桿的響應(yīng)。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。另外PID參數(shù)較易整定。PID有其固有的優(yōu)點(diǎn)：首先PID本身應(yīng)用范圍廣。PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。測(cè)量輸出變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。 第四章 倒立擺控制系統(tǒng)的算法研究比較 倒立擺系統(tǒng)的PID控制算法設(shè)計(jì) 理論分析當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。非接觸式的形式很多，常見(jiàn)的有干簧管、光電式、感應(yīng)式等，這幾種形式在電梯中都能夠見(jiàn)到，當(dāng)然還有更多的先進(jìn)形式。當(dāng)行程開(kāi)關(guān)的機(jī)械觸頭碰上擋塊時(shí)，切斷了（或改變了）控制電路，機(jī)械就停止運(yùn)行或改變運(yùn)行。按其接觸方式可分為接觸式的和非接觸式的。當(dāng)限位開(kāi)關(guān)被觸發(fā)控制器自動(dòng)設(shè)置控制軸狀態(tài)寄存器中的相應(yīng)限位開(kāi)關(guān)觸發(fā)標(biāo)志位，同時(shí)控制器將自動(dòng)停止控制軸的運(yùn)動(dòng)，使之不再進(jìn)一步朝越限區(qū)域運(yùn)動(dòng)。圖313 控制軸運(yùn)動(dòng)行程范圍運(yùn)動(dòng)控制器默認(rèn)的限位開(kāi)關(guān)為常閉開(kāi)關(guān)。例如：假設(shè)控制軸的正限位開(kāi)關(guān)被觸發(fā)，控制器只允許該軸朝負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，一邊返回安全運(yùn)動(dòng)范圍。如圖313所示，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)兩個(gè)（正向、負(fù)向）限位開(kāi)關(guān)自動(dòng)地設(shè)定控制軸朝越限的方向運(yùn)動(dòng)。 行程開(kāi)關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)式、滾輪式、微動(dòng)式和組合式。在電梯的控制電路中，還利用行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制開(kāi)關(guān)轎門的速度、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)等 限位開(kāi)關(guān)主要就是限定位置，比如行車之類的，當(dāng)?shù)侥┒宋恢茫尬婚_(kāi)關(guān)就觸動(dòng)，停止繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，不至于出軌，假如光靠機(jī)械阻擋制動(dòng)不僅不利于設(shè)備，也浪費(fèi)電能。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開(kāi)關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝在生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開(kāi)關(guān)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。EasyARM2131的A/D管腳檢測(cè)到這個(gè)低電平之后，程序開(kāi)始對(duì)小車的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的光脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)行控制計(jì)算，實(shí)現(xiàn)小車的控制，如不讓小車碰到行程開(kāi)關(guān)、及時(shí)向相反方向運(yùn)動(dòng)、計(jì)數(shù)清零等控制。當(dāng)接在運(yùn)動(dòng)小車上的可以擋光線的物體通過(guò)兩個(gè)二極管之間時(shí)，DS1發(fā)出的光脈沖無(wú)法射到D2上，三極管導(dǎo)通，輸出一個(gè)低電平；當(dāng)小車偏移中點(diǎn)時(shí)，DS1發(fā)射的紅外線射在了D2上，使得三極管截止，輸出高電平。圖312光電傳感器電路示意圖其電路工作原理：光電二極管工作在反壓下，當(dāng)無(wú)反射光照射或光照較弱時(shí)，電阻為，此時(shí)三極管工作在放大區(qū)，輸出電壓很??；而當(dāng)在發(fā)射光照射使電阻下降到幾時(shí)，三極管工作在截止區(qū)，輸出電壓接近于5V。具體的應(yīng)用場(chǎng)合例如有距離、平面傾斜度、反射率和透射率參數(shù)的測(cè)量等。這里屬于被動(dòng)式紅外線檢測(cè)，是電氣控制的原理，也就是光電。光電三極管也是靠光的照射量來(lái)控制電流的器件，可等效為一個(gè)光電二極管與一個(gè)晶體三極管的結(jié)合，具有放大作用。在無(wú)光照情況下，光電二極管的正向電阻約為10,反向電阻為；有光照時(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度增加而減小，阻值可達(dá)幾或1以下。光電二極管是一種光電變換器件，當(dāng)光照到PN結(jié)上時(shí)，它能吸收光能將之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。光敏元件常用光電二極管（也稱光敏二極管）與光電三極管（也稱光敏三極管），均為近紅外線接收管。主動(dòng)式的一般兩個(gè)為一組，一個(gè)發(fā)射紅外線，一個(gè)接受，正常情況下，因?yàn)闆](méi)有阻斷，所以接收正常，如果有物體阻斷，則阻礙紅外線導(dǎo)致電路產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)。一般用攝像機(jī)和攝像頭都能識(shí)別出來(lái)，其檢測(cè)方法和普通的LED的檢測(cè)方法一樣。其波長(zhǎng)介于可見(jiàn)光和無(wú)線電波之間，～1000。其主要參數(shù)如下：電源電壓：DC5V24V；消耗電流：80mA以下；分辨率(脈沖/旋轉(zhuǎn))：1000/轉(zhuǎn)；輸出相：A，B，Z三相。在干擾強(qiáng)烈或電纜較長(zhǎng)的場(chǎng)合，可降低最高使用頻率和使用同軸電纜。在震動(dòng)強(qiáng)烈的場(chǎng)所，某廠曾使用氧氣膠管代替連軸器，加大允許扭轉(zhuǎn)角度，來(lái)保護(hù)旋轉(zhuǎn)編碼器，效果很好。其次，安裝基礎(chǔ)盡可能遠(yuǎn)離震動(dòng)源。8. 安裝旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用時(shí)出問(wèn)題是因?yàn)榘惭b不恰當(dāng)造成的，因此一定要慎重對(duì)待。但是價(jià)格較貴(是同脈沖數(shù)的AB相旋轉(zhuǎn)編碼器的10倍以上)；精度一般；有旋轉(zhuǎn)圈數(shù)限制(超過(guò)允許旋轉(zhuǎn)圈數(shù)后，計(jì)數(shù)將重新開(kāi)始)；體積重量較大；線路復(fù)雜，串行方式時(shí)需10路左右，并行方式時(shí)需20路左右。絕對(duì)值型旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)數(shù)信號(hào)可使用對(duì)響應(yīng)頻率有一定要求的開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)接收或使用串行格雷碼接收裝置，但需要軟件進(jìn)行格雷碼轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)是斷電后，計(jì)數(shù)無(wú)法保持；長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)因誤碼出現(xiàn)累積誤差，需要提供校正措施。正交AB相旋轉(zhuǎn)編碼器適用于正反向旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，需要專門的脈沖接受設(shè)備，如果使用在每圈旋轉(zhuǎn)中有基準(zhǔn)點(diǎn)的