簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置電子設(shè)計(jì)-文庫吧資料
2024-09-03 22:34本頁面
【正文】 控制模型無法精確建立，我們使用了PID 控制方案。極點(diǎn)配置法通過狀態(tài)反饋控制器將多變量系統(tǒng)的極點(diǎn)配置到我們所期望的位置上，使系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)要求。經(jīng)典控制理論的研究對象是單輸入單輸出系統(tǒng)，需要較為精確的數(shù)學(xué)模型，而現(xiàn)代控制理論則是將經(jīng)典控制理論擴(kuò)展到多輸入、多輸出系統(tǒng)。另外，由于 PID 是單輸入單輸出系統(tǒng)，所以只能控制擺桿平衡而無法控制旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)角度，這樣擺桿 在運(yùn)動時會出現(xiàn)一直向一個方向轉(zhuǎn)動的情況，所以我們還需要設(shè)計(jì)一個旋轉(zhuǎn)臂角度控制閉環(huán)和旋轉(zhuǎn)角速度閉環(huán)，這樣我們就可以控制擺桿定位和勻速運(yùn)動。在控制理論和技術(shù)高速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu)，并且許多高級控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。 經(jīng)典控制理論的研究 對象主要是單輸入單輸出的系統(tǒng)， 控制器設(shè)計(jì)時一般需要有關(guān)被控對象的較精確模型。 5 圖 3 陀螺儀 加速度計(jì)測 角度方法 驅(qū)動與控制算法 根據(jù)所學(xué)經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論方面的知識，我們選定了兩種基本控制方案。同時我們知道角速度就是角度的微分，這樣，在求對擺桿控制的 PID 運(yùn)算的微分值時，我們可以直接使用陀螺儀采集回來的擺桿的角速度值。對于加速度計(jì)來說，它的 值不夠平滑，所以不能準(zhǔn)確反映當(dāng)前角度值，但是加速計(jì)值不會產(chǎn)生較大的飄移。我們在擺桿上固定陀螺儀 加速度計(jì)模塊，陀螺儀可以直接測出角速度，也就是說我們可以通過對陀螺儀速度的累加而感知擺桿角度的變化情況。另外， RS385S 直流電機(jī)帶減速器后力矩很大，可以快速帶動一定質(zhì)量的負(fù)載，使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度可以滿足要求。 10%，可以較快地響應(yīng)控制。相比伺服電機(jī)，直流減速電機(jī)定位性能稍差。這樣，就可以比較精確地檢測出擺桿當(dāng)前的角度了。由于陀螺儀在運(yùn)行過程中容易受到溫度的影響，使得積分值變得不準(zhǔn)確，所以需要引入加速度計(jì)的值來對陀螺儀積分產(chǎn)生的角度進(jìn)行糾正。綜合考慮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，我們設(shè)計(jì)了方案 3。但是我們使用的編碼器只有 500 線。 方案 2：旋轉(zhuǎn)臂與電機(jī)連接處使用雙向編碼器，擺桿與轉(zhuǎn)軸之間也采用雙向編碼器 。這種傳感器可以將角度量轉(zhuǎn)換為電平值，我們可以直接從 AD 中讀取角度值，非常便于角度測定。 綜上，我們選擇了直流減速電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)控制精確，可以方便地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，非常適合精準(zhǔn)的控制應(yīng)用場合。同時 ，這種電機(jī)也較為常見，成本較低。由于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速很大，所以負(fù)載工作時需要配合減速器一起使用。 方案 2：使用直流減速電機(jī)作為控制電機(jī)。 電動機(jī)的選擇： 方案 1：使用伺服電機(jī)。同時，參賽成員對其具有一定的使用經(jīng)驗(yàn)。 方案 2：采用飛思卡爾 K60 單片機(jī)作為主控芯片。這種單片機(jī)操作簡單，同時處理速度遠(yuǎn)快于傳統(tǒng) 51 單片機(jī)，內(nèi)部數(shù)據(jù)與程序存儲空間較大， AD、 PWM 等各種外設(shè)齊全，基本可以滿足要求。另外，我們還需要搭建一個穩(wěn)定的底座來固定系統(tǒng)，減少系統(tǒng)的振動，搭建一個支架，用于解決擺桿、旋轉(zhuǎn)臂圓周運(yùn)動時的繞線問題。對于控制量的檢測，我們準(zhǔn)備選取兩個可以測量角度的傳感器，其一用于檢測旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角及其角速度，通過一定的控制方法將旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角控制在一定的范圍內(nèi)，而另一個角度傳感器固定于旋轉(zhuǎn)附近，測量擺桿的角度信息，從而控制擺桿的平衡。擺桿與支架的連接可以通過電機(jī)帶動減速齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，這樣可以增大電機(jī)轉(zhuǎn)動時的力矩，使得擺桿對懸臂動作的響應(yīng)加快，提高控制性能。通過傳感器測量旋轉(zhuǎn)臂角度信息和擺桿角度信息，單片機(jī)通過一定的控制算法驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動懸臂及擺桿運(yùn)動，達(dá)到控制擺桿完成題目要求的各項(xiàng)動作。； （ 4）其他。位置，外力撤除同時，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于 5s；期間，旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于90176。 ~ +60176。 1．基本要求 （ 1）擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)（擺角 0176。電動機(jī) A 固定在支架 B 上，通過轉(zhuǎn)軸 F 驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂 C 旋轉(zhuǎn)。 任務(wù)及要求 ......................................................................................................1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ..........................................................................................................2 方案比較與選擇 ..............................................
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