【正文】 適應(yīng)控制領(lǐng)域的要求。倒立擺的PID控制能夠得到普遍的應(yīng)用與其自身的特點(diǎn)有很大關(guān)系，首先它可以變形，而且變形之后依然可以達(dá)到一個(gè)很好的控制效果，所以今天至少有接近90%的回路在采用這種方法。近年來，雖然各種新型倒立擺不斷問世，但是可自主研發(fā)并生產(chǎn)倒立擺裝置的廠家并不多。倒立擺的級(jí)數(shù)可以是一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)乃至多級(jí)，倒立擺的運(yùn)動(dòng)軌道可以是水平的，還可以是傾斜的，控制電機(jī)可以是單電機(jī)，也可以是多級(jí)電機(jī)。至今，對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究已經(jīng)經(jīng)歷了一個(gè)很大的歷程，很多研究者或采用仿真的方法對(duì)倒立擺進(jìn)行算法研究，建立起倒立擺數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB提供的各種控制工具箱，設(shè)計(jì)不同控制算法，通過仿真來驗(yàn)證控制算法的可行性；或采用PC機(jī)、單片機(jī)、DSP等作為控制器，針對(duì)倒立擺實(shí)物進(jìn)行控制研究，提出了多種控制算法，取得了很多成果。80年代后期起，應(yīng)用模糊控制理論控制倒立擺系統(tǒng)也受到廣泛重視；1996年，張乃堯等人采用雙閉環(huán)的模糊控制方案，成功穩(wěn)定住一級(jí)倒立擺；1997年，成功應(yīng)用于一級(jí)倒立擺；程福雁等人研究了使用參變量模糊控制對(duì)二級(jí)倒立擺進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的問題。自此，對(duì)于倒立擺系統(tǒng)的研究便成了控制界關(guān)注的焦點(diǎn)。倒立擺系統(tǒng)的研究始于上世紀(jì)60年代，1966年Schacfer和Cannon應(yīng)用BangBang控制理論，將一個(gè)曲軸穩(wěn)定于倒置位置。 (5) 約束限制由于機(jī)構(gòu)的限制，如運(yùn)動(dòng)模塊行程限制，電機(jī)力矩限制等。 (3) 耦合性倒立擺的各級(jí)擺桿之間，以及和運(yùn)動(dòng)模塊之間都有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，在倒立擺的控制中一般都在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行解耦計(jì)算，忽略一些次要的耦合量。也可以利用非線性控制理論對(duì)其進(jìn)行控制。按倒立擺的級(jí)數(shù)來分：有一級(jí)倒立擺、兩級(jí)倒立擺、三級(jí)倒立擺和四級(jí)倒立擺，一級(jí)倒立擺常用于控制理論的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，多級(jí)倒立擺常用于控制算法的研究，倒立擺的級(jí)數(shù)越高，其控制難度更大，目前，可以實(shí)現(xiàn)的倒立擺控制最高為四級(jí)倒立擺。 (3) 平面倒立擺系列平面倒立擺是在可以做平面運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模塊上裝有擺桿組件，平面運(yùn)動(dòng)模塊主要有兩類：一類是XY平臺(tái)，另一類是兩自由度SCARA機(jī)械臂；擺體組件也有一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)很多種。直線柔性倒立擺和一般直線倒立擺的不同之處在于，柔性倒立擺有兩個(gè)可以沿導(dǎo)軌滑動(dòng)的小車，并且在主動(dòng)小車和從動(dòng)小車之間增加了一個(gè)彈簧，作為柔性關(guān)節(jié)。從工程背景來講，日常生活中所見的各種重心在上，支點(diǎn)在下的物體的穩(wěn)定問題都與倒立擺的控制有著很大的相似性。為防止單級(jí)火箭在拐彎時(shí)斷裂而誕生的柔性火箭，其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級(jí)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行研究。通信衛(wèi)星在預(yù)先計(jì)算好的軌道和確定的位置上運(yùn)行的同時(shí)，要保持其穩(wěn)定的姿態(tài)，使衛(wèi)星天線一直指向地球，使它的太陽(yáng)能電池板一直指向太陽(yáng)。例如，機(jī)器人的站立與行走類似雙倒立擺系統(tǒng)，盡管第一臺(tái)機(jī)器人在美國(guó)問世至今已有三十年的歷史，機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)——機(jī)器人的行走控制至今仍未能很好解決。本文采用PID控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)倒立擺的穩(wěn)定性進(jìn)行有效控制。眾所周知，自然界的許多系統(tǒng)都不穩(wěn)定的，其中最具有代表性的就是本文研究的倒立擺系統(tǒng)，我的目的就是選擇一個(gè)行之有效的控制方法來設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，使不穩(wěn)定的一級(jí)倒立擺受控對(duì)象變成一個(gè)趨于穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。它能夠把電學(xué)、力學(xué)和數(shù)學(xué)聯(lián)系到一起，共同運(yùn)用到這個(gè)系統(tǒng)中。它不僅可以作為實(shí)驗(yàn)性設(shè)備，而且可以還是一個(gè)代表性的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)新的控制理論與方法出現(xiàn)以后，可以用倒立擺對(duì)其正確性和實(shí)用性加以物理驗(yàn)證，并對(duì)各種方法進(jìn)行快捷、有效、生動(dòng)的比較。倒立擺系統(tǒng)具有多變量、快速、非線性和絕對(duì)不穩(wěn)定等特性，在控制過程中能有效反映許多關(guān)鍵問題，如非線性問題、系統(tǒng)的魯棒性問題、隨動(dòng)問題、鎮(zhèn)定問題及跟蹤問題等。所以對(duì)倒立擺的研究具有重要的實(shí)踐意義，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。倒立擺系統(tǒng)可用多種理論和方法來實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定控制，如PID、自適應(yīng)、狀態(tài)反饋、智能控制、模糊控制及人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等，都能在倒立擺系統(tǒng)控制上得到實(shí)現(xiàn)。作為一個(gè)被控制對(duì)象，它是一個(gè)高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的快速系統(tǒng)。倒立擺的穩(wěn)定性控制是控制理論與應(yīng)用的典型問題。太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)基于單片機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IVABSTRACT V第一章 緒 論 1 引言 1 1 1 2 倒立擺分類以及特性 2 倒立擺分類 2 倒立擺的特性 3 4 5 5 5 6第二章 方案的比較與論證 7 7 7 8 8 8 顯示模塊的選擇與論證 8 旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)總體框圖 8第三章 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 10 10 PID控制算法 10 PID控制簡(jiǎn)介 10 PID控制各部分的特點(diǎn) 11 PID控制器的參數(shù)整定 12 PID控制原理圖 12 14 14 14 擺桿做圓周運(yùn)動(dòng) 14 擺桿狀態(tài)檢測(cè)的計(jì)算 14 擺桿擺起的算法 14 擺桿保持平衡的算法 16 抗干擾 16第四章 硬件模塊設(shè)計(jì) 17 控制器模塊設(shè)計(jì) 17 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 19 步進(jìn)電機(jī)模塊 21 顯示模塊 22 時(shí)鐘振蕩電路 24 復(fù)位電路 25 電源模塊 25第五章 軟件設(shè)計(jì) 27 27 C51簡(jiǎn)介 27 27 29 29 29 程序流程圖 29 29 擺桿做圓周運(yùn)動(dòng)子程序流程圖 30 保持倒立平衡子程序流程圖 315. 4 總程序設(shè)計(jì) 33第六章 測(cè)試結(jié)果及分析 34 測(cè)試儀表 34 測(cè)試方案與結(jié)果 34 結(jié)果分析 35總結(jié)與展望 36參考文獻(xiàn) 37致 謝 38附錄A：原理圖 39附錄B：外文文獻(xiàn) 40附錄C：中文翻譯 53附錄D：源程序 65 73太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒 論 引言 日常生活中，我們經(jīng)常能見到一些支點(diǎn)在上而重心在下的擺，如掛鐘的擺，這種稱為順擺。還有一種支點(diǎn)在下而重心在上，恒不穩(wěn)定的系統(tǒng)或裝置，這就是倒立擺。在穩(wěn)定性問題上，倒立擺既具有普遍性又具有典型性，倒立擺系統(tǒng)作為一種控制裝置，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、便于模擬和數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)多種不同的控制方法。它在控制過程中能有效地反映控制中的許多關(guān)鍵問題，如非線性問題、系統(tǒng)的魯棒性問題、隨動(dòng)問題、鎮(zhèn)定問題及跟蹤問題等。由于倒立擺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性與運(yùn)載火箭穩(wěn)定運(yùn)行和雙足步行機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)有很大的相似之處，可以把它作為一個(gè)控制算法的研究平臺(tái)，利用它來驗(yàn)證控制算法的可行性。在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及實(shí)際應(yīng)用中的可行性需要一個(gè)按其理論課程設(shè)計(jì)的控制器去控制一個(gè)典型對(duì)象來驗(yàn)證。倒立擺就是這樣一個(gè)被控對(duì)象。倒立擺系統(tǒng)的控制效果可以通過其穩(wěn)定性直觀地體現(xiàn)，也可以通過擺桿角度、小車位移和穩(wěn)定時(shí)間直接度量，其實(shí)驗(yàn)效果顯著、直觀。倒立擺是一個(gè)在學(xué)術(shù)界備受關(guān)注的重點(diǎn)研究的高階次系統(tǒng)，正是由于此系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，在控制領(lǐng)域中，也體現(xiàn)出了他們各自的價(jià)值。在進(jìn)行研究解析之后，很多控制界的問題得以解決，這些一直困擾研究者的理論問題和實(shí)踐上遇到的技術(shù)問題。倒立擺系統(tǒng)被人們用來驗(yàn)證試驗(yàn)研究的對(duì)象，曾被以為是最佳的理論方法，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人學(xué)、伺服控制、航天、軍工等領(lǐng)域，因而研究倒立擺系統(tǒng)不僅具有很強(qiáng)的理論意義，而且它又具有很強(qiáng)的工程意義。到目前為止，已涌現(xiàn)出來出來各種各種的控制算法，比如模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、狀態(tài)反饋、自適應(yīng)、PID以及變結(jié)構(gòu)等，他們都各自展現(xiàn)了其特有的控制能力。倒立擺由于其自身是一個(gè)絕對(duì)不穩(wěn)定、多變量、強(qiáng)耦合的高階非線性系統(tǒng)而被廣泛研究，其控制方法多種多樣，在半導(dǎo)體及精密儀器加工、機(jī)器人控制技術(shù)、人工智能、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、航空對(duì)接控制技術(shù)、火箭發(fā)射、衛(wèi)星飛行等工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的利用開發(fā)前景。在火箭等飛行器的飛行過程中，為了保持其正確的姿態(tài)，要不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。偵察衛(wèi)星中攝像機(jī)的輕微抖動(dòng)會(huì)對(duì)攝像的圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，為了提高攝像的質(zhì)量，必須能自動(dòng)地保持伺服云臺(tái)的穩(wěn)定，消除震動(dòng)。由于倒立擺系統(tǒng)與雙足機(jī)器人，火箭飛行控制和各類伺服云臺(tái)穩(wěn)定有很大相似性，而且，倒立擺的控制方法對(duì)于我們處理一般工業(yè)工程，也有很大的借鑒。 倒立擺分類以及特性 倒立擺分類到目前為止，倒立擺已經(jīng)由原來的直線一級(jí)倒立擺擴(kuò)展出很多種類，典型的有直線倒立擺，環(huán)形倒立擺，平面倒立擺和復(fù)合倒立擺等，倒立擺系統(tǒng)是在運(yùn)動(dòng)模塊上裝有倒立擺裝置，由于在相同的運(yùn)動(dòng)模塊上可以裝載不同的倒立擺裝置，倒立擺的種類由此而豐富很多，按倒立擺的結(jié)構(gòu)來分，有以下類型的倒立擺： (1) 直線倒立擺系列直線倒立擺是在直線運(yùn)動(dòng)模塊上裝有擺體組件，直線運(yùn)動(dòng)模塊有一個(gè)自由度，小車可以沿導(dǎo)軌水平運(yùn)動(dòng)，在小車上裝載不同的擺體組件，可以組成很多類別的倒立擺。 (2) 環(huán)形倒立擺系列環(huán)形倒立擺是在圓周運(yùn)動(dòng)模塊上裝有擺體組件，圓周運(yùn)動(dòng)模塊有一個(gè)自由度，可以圍繞齒輪中心做圓周運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)手臂末端裝有擺體組件，根據(jù)擺體組件的級(jí)數(shù)和串聯(lián)或并聯(lián)的方式，可以組成很多形式的倒立擺。 (4) 復(fù)合倒立擺系列復(fù)合倒立擺是一類新型倒立擺，由運(yùn)動(dòng)本體和擺桿組件組成，其運(yùn)動(dòng)本體可以很方便的調(diào)整成三種模式，一是環(huán)形倒立擺，還可以把本體翻轉(zhuǎn)90度，連桿豎直向下和豎直向上組成托擺和頂擺兩種形式的倒立擺。 倒立擺的特性雖然倒立擺的形式和結(jié)構(gòu)各異，但所有的倒立擺都具有以下的特性： (1) 非線性倒立擺是一個(gè)典型的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)際中可以通過線性化得到系統(tǒng)的近似模型，線性化處理后再進(jìn)行控制。 (2) 不確定性主要是模型誤差以及機(jī)械傳動(dòng)間隙，各種阻力等，實(shí)際控制中一般通過減少各種誤差來降低不確定性，如通過施加預(yù)緊力減少皮帶或齒輪的傳動(dòng)誤差，利用滾珠軸承減少摩擦阻力等不確定因素。 (4) 開環(huán)不穩(wěn)定性倒立擺的平衡狀態(tài)只有兩個(gè)，即在垂直向上的狀態(tài)和垂直向下的狀態(tài)，其中垂直向上為絕對(duì)不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，垂直向下為穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。為了制造方便和降低成本，倒立擺的結(jié)構(gòu)尺寸和電機(jī)功率都盡量要求最小，行程限制對(duì)倒立擺的擺起影響尤為突出，容易出現(xiàn)小車的撞邊現(xiàn)象。到了20世紀(jì)60年代后期，倒立擺作為一個(gè)典型不穩(wěn)定、非線性的例證被提出。70年代初，根據(jù)經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論應(yīng)用極點(diǎn)配置法，各國(guó)學(xué)者針對(duì)不同類型的倒立擺問題設(shè)計(jì)模擬控制器，進(jìn)行了較為廣泛的研究。目前，把人工智能引入到倒立擺控制系統(tǒng)中的方法，也有了很大的突破；1994年8月，北航張明廉教授等人組成的人工智能小組，突破傳統(tǒng)控制理論的模式，率先在我國(guó)的實(shí)驗(yàn)室里穩(wěn)定住三級(jí)倒立擺；2001年6月，北師大李洪興教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，采用“變論域自適應(yīng)模糊控制理論”，成功實(shí)現(xiàn)四級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)；次年8月，又成功實(shí)現(xiàn)全球首例四級(jí)倒立擺實(shí)物系統(tǒng)控制。倒立擺的種類很多，有懸掛式倒立擺、平行倒立擺、環(huán)形倒立擺、平面倒立擺。目前有關(guān)倒立擺的研究主要集中在亞洲，如中國(guó)的北京師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)，日本的東京工業(yè)大學(xué)、京東電機(jī)大學(xué)、京東大學(xué)，韓國(guó)的釜山大學(xué)、忠南大學(xué)，此外，俄羅斯的圣彼得堡大學(xué)、美國(guó)的東佛羅里達(dá)大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院、波蘭的波茲南技術(shù)大學(xué)、意大利的佛羅倫薩大學(xué)也對(duì)這個(gè)領(lǐng)域有持續(xù)的研究。目前，國(guó)內(nèi)各高?；旧隙疾捎孟愀酃谈吖竞图幽么蠊旧a(chǎn)的系統(tǒng)，其他一些生產(chǎn)廠家還包括（韓國(guó)）奧格斯科技發(fā)展有限公司、保定航空技術(shù)實(shí)業(yè)有限公司，最近，鄭州微納科技有限公司的微納科技直線電機(jī)倒立擺的研制取得了成功。由于它除具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、好的魯棒性、可靠性等特點(diǎn)外，還有便于操作性等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此它在冶金、電力、化工等工業(yè)制造生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用。所以后來出現(xiàn)了新的PID算法，比如位置式PID控制、增量式PID等。當(dāng)然了，后來很多算法便涌現(xiàn)出來了，但不管是什么算法都是基于基本算法產(chǎn)生的，通俗點(diǎn)就是對(duì)基本算法進(jìn)行拆分、組合、添加進(jìn)而衍生出其他算法。不僅由于其級(jí)數(shù)增加而產(chǎn)生的控制難度是對(duì)人類控制能力的有力挑戰(zhàn)，更重要的是實(shí)現(xiàn)其控制穩(wěn)定的過程中不斷發(fā)現(xiàn)新的控制方法，探索新的控制理論，并進(jìn)而將新的控制方法應(yīng)用到更廣泛的受控對(duì)象中。設(shè)計(jì)并制作一套基于單片機(jī)原理的旋轉(zhuǎn)倒立擺的控制裝置。擺桿通過轉(zhuǎn)軸固定在旋轉(zhuǎn)臂的一端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)擺桿在垂直于旋轉(zhuǎn)臂的平面作自由旋轉(zhuǎn)。）開始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動(dòng)，并盡快使擺角達(dá)到或超過60176。；從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動(dòng)幅度，直至完成圓周運(yùn)動(dòng)；在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近 165176。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用光電編碼器來測(cè)量擺桿的角度和角速度，并且顯示在LCD1602液晶顯示屏上，其中還顯示旋轉(zhuǎn)臂的角度和角速度。 第2章 方案的比較與論證 這個(gè)系統(tǒng)主要由電機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、系統(tǒng)控制模塊、顯示模塊、角度傳感器模塊、檢測(cè)模塊、時(shí)鐘振蕩電路模塊組成，以下分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。優(yōu)點(diǎn)：使用ARM最新的、先進(jìn)架構(gòu)的CortexM3核，杰出的功耗控制，出眾及創(chuàng)新的外設(shè)，最大程度的集成整合，易于開放，可使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)，運(yùn)行速度快,引腳多,內(nèi)部資源豐富,具有很高的運(yùn)算速率。方案二: 采用MSP430系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制中心。方案三：采用STC89C52單片機(jī), 選用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，它具有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路,且容易燒錄,使用方便，現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛，其內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器，而51單片機(jī)內(nèi)部資源相對(duì)較少，運(yùn)行速度慢，功能單一，ROM空間不足，在本設(shè)計(jì)中不需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，且能夠?qū)?