【正文】 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 22 頁 附錄 程序代碼 include include include include include define closegr closegraph float t=0,x3=0,x1=0,zx1=0,zx3=0,x2=0,x4=0,tt=50,c,e=0,y0=417,y1=297,y2=177,y3=57,d[5]={57,57,177,297,417},u=0,ri=0,xd=0,cx=0,cx2=0,cy2=0。感謝同組的同學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。 通過這個實驗，我也有機會重溫了本科階段關于控制理論、微機原理和接口技術等課程的多方面重要知識，并將這些知識得以與實際相結合，活學活用。 最后，在實驗平臺上，通過模擬控制和計算機控制，通過不斷調試和改進得到理想的控制效果。 然后對所得到的控制模型對其穩(wěn)定性等性質進行分析，與期望特性進行比對，從而設計出所需控制器。 在設計過程中，首先先對控制對象進行建模分析。 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 20 頁 圖 計算機控制倒立擺擺動角施加干擾 圖 計算機控制小車位置施加干擾 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 21 頁 7 收獲和體會 倒 立擺實驗是一個經(jīng)典的控制實驗平臺，直線倒立擺通過小車的位移控制、擺桿的角度控制達到特定的實驗效果。根據(jù)響應可知，小車的位置穩(wěn)定在 。從實時響應曲線 中可以看出系統(tǒng)在擾動后仍能夠快速地克服，且與模擬控制相比，需要較少的調節(jié)時間就能重新達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)值不變，且在暫態(tài)各個狀的變化量均不是太大。系統(tǒng)在達到穩(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)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，達到穩(wěn)態(tài)。 北京航空航天大學設計 (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。在系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，若人為施加一定強度的干擾，系統(tǒng)經(jīng)過一定時間的振蕩可以達 到平衡。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)過快速調整后，倒立擺系統(tǒng)仍舊能達到穩(wěn)態(tài)位置，得到此時的模擬控制 系統(tǒng)實響應曲線 如圖 所示。 利用程序繪制的上位機界面，觀察系統(tǒng)中小車位置 x 以及倒立擺擺動角 ? 變化曲線。 系統(tǒng)性能分析與結論 （ 1）模擬控制 極性調整和零完成后，可通過旋鈕節(jié)相關參數(shù)，使倒立擺處于穩(wěn)定狀態(tài)。 （ 7）當小車處在導軌的某一端時，輸入的控制信號最大，功放輸出達到最大，電機受到的控制力矩也最大，由于本機采用同步傳動，傳動帶與傳動輪不能滑動，此時電 機處在制動狀態(tài)，傳動帶上的齒受到的拉力為最大，因此傳動帶與電機都有可能受到損壞， 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 18 頁 故在實驗過程中，應盡量避免這種情況發(fā)生。 （ 5）在電路發(fā)生故障需要進行修理時，應切斷電源，以免不小心開啟電源，小車撞到導軌支架上而損壞機件。 （ 3）小車不能停留在導軌兩端處，否則 由于輸入信號過大損壞功放（或燒壞電機）。 在 實驗過程中， 應 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，不要隨便倒在導軌上。 （ 4） 松開下擺的勾簧吊鉤，用手扶住擺，然后接通控制電機，即功放開關置“ ON”將手輕輕地離開擺，此時擺應能穩(wěn)定地立住。 （ 2） 調節(jié)電位器 K1， K2， K3 和 K4 ，使其極性和讀數(shù)處在相應的位置上。倒立擺 L1 角位移 1? 零位調節(jié)：先將撥動開關 T1 轉向“電橋調零”處，然后旋動其左側的“ 1 調零 ” 電位器的旋鈕，并觀察“ 1 測量”孔處的輸出電壓（對地）是否為零，反復調節(jié)直至輸出為零為止。在零位調整之前，一定要接上后蓋板上的插 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 17 頁 頭 P5。從而保證了滑臂處在其幾何中心處或電氣中心處。的 WDD35D1 型的塑料導電電位器。然后用三用表測量其位移傳感器（導軌左側的 WXD7的多圈線繞電 位計，阻值為 10k? ）電壓值，并將負極性的表筆置傳感器端子 2， 另一表筆分別置 1 和 3，適當?shù)剞D動電位計的軸使其端子 21 間， 23 間的電壓值分別為 U21=+3V， U23=3V 時，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。 首先，小車、倒立擺 L1 初始位置的校驗 (電源開關置 ON)。通電應在設備完好情況下進行。 在通電檢查之前，檢查所有電氣部分有無損壞現(xiàn)象。 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 16 頁 電路原理 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 轉換為模擬量，通過功率放大器放大后驅動伺服電機。電機旋轉拖動小車 向 著減少 ? 的方向移動，從而使倒立擺達到平衡。如圖 所示。完整界面如圖 所示。界面的主要組成是四個坐標系：倒立擺擺動角 ? 、角速度 ?? 、小車位移 x 以及小車 速度 x? 。 } 界面設計與實現(xiàn) 本系統(tǒng)中上位機界面的設計利用 C 語言中的繪圖函數(shù)完成。 ad=*data/0x800。 r=p*256+q。i++) p=inportb(0x312)%16。 for(i=0。i1000。 outportb(0x310,num)。 float ad。 unsigned int p,q。 /*寫入低 8 位 */ inportb(0x314)。 /*寫入高 8 位 */ newlo=lo%16*16+(int)lo/16。 /*高 8 位 */ newhi=hi%16*16+(int)hi/16。 /*轉換為 16 進制 */ lo=x%256。 unsigned char lo,hi,newhi,newlo。一般情況下，該值可取為 2020（數(shù)字量， 2047 為數(shù)字量基準）。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系等因素。所以必須將 AD 轉換得到的數(shù)字量經(jīng)過相應的處理才能的到對應的實際物理量，然后才能帶入實際模型當中進行運算。具體地址定義及選用 A/D 通道說明參見表 。在本實驗中，它工作在雙極性狀態(tài)，其板口地址為 280H（ 16 進制）。5 伏的電壓轉化為 12 位的數(shù)字信號，也可將 12 位的數(shù)字信號轉化為177。 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 11 頁 實時控制軟件框圖 設 置 屏 幕 模 式輸 入 參 數(shù) K顯 示 橫 、 縱 坐 標更 換 中 斷 向 量設 置 8 2 5 3開 I R Q 3 和 中 斷X0= 0 , T = 0Y0= Y計 算 X 、 Y 坐 標顯 示 線 段 X 、 X ’ 、 θ 、 RX0= 0 , Y0= Y關 閉 I R Q 3 ， 恢 復 中 斷 向 量程 序 結 束NYX0≥ 6 0 0 ? 圖 倒立擺控制系統(tǒng)主程序流程圖 中 斷 響 應屏 蔽 中 斷保 護 現(xiàn) 場T = T + 1輸 入 X 、 X ’ 、θ 、 R 信 號轉 化 為 浮 點 數(shù)前 臺 計 算變 為 偏 移 碼 D A 輸 出后 臺 計 算 Y0= Y恢 復 現(xiàn) 場中 斷 返 回輸 出 E O I 信 號 圖 倒立擺控制系統(tǒng)中斷子程序流程圖 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 12 頁 數(shù)據(jù)采集與模擬量輸出 本實驗 所采用的數(shù)據(jù)采集與模擬量輸出 方法 為 AD/DA 接口板 。 開啟 AD/DA， 進行數(shù)據(jù) 的 采集 和 轉換。實現(xiàn)參數(shù)的實時修改 以及 基本數(shù)據(jù)的記錄。 （ 2） 軟件 設計方案 在 進行軟件部分設計時，應 利用硬件 定時器實現(xiàn) 周期 為 5 毫秒 的采樣 。變換放大電路提供了模擬擺的控制律，可通過調節(jié)面板 上的旋鈕控制擺；而且，變換電路中通過差分計算，分別可以求出倒立擺的角度和位置的微分，即速度和角速度，這樣可在計算機中直接采樣得到倒立擺的位置、速度、轉角和角速度。和實驗相關的主要是檢測電路和變換放大電路。系統(tǒng)模擬和數(shù)字控制式可以通過開關選擇， T1， T4 為擺角 ? 和位移 x 運放調零撥動開關， K K X、 V 分別為系統(tǒng)擺角 ? 、角速度 ?? 、位移 x、速度 x? 參數(shù)的調節(jié)旋鈕。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 的波動恢復穩(wěn)定，具有良好的抗干擾性。通過仿真，得到閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應。因此需通過設計控制器構成閉環(huán)系統(tǒng)使其穩(wěn)定，并達到設計指標要求。 圖 倒立擺系統(tǒng) simulink 仿真框圖 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 9 頁 圖 倒立擺系統(tǒng) 階躍響應仿真 為進一步驗證閉環(huán)系統(tǒng)的抗干擾行，在仿真過程中，對系統(tǒng)在第 10s 加入一個強度為 1 的擾動，此時系統(tǒng)的響應如圖 所示 圖 倒立擺系 統(tǒng) 抗干擾 仿真 分析與結論 通過分析仿真結果易得，倒立擺屬于自然不穩(wěn)定系統(tǒng)。 系統(tǒng)仿真 圖 為系統(tǒng)通過 simulink 進行仿真的框圖。綜上通過多方嘗試，選定上述極點。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)所有幾點都應在復平面的左半部分。 北京航空航天大學設計 (論文 ) 第 8 頁