簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置

簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要系統(tǒng)主要由倒立擺系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等五大部分組成。系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)都采用模塊化設(shè)計(jì)思想。構(gòu)建了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，包括旋臂、擺桿和步進(jìn)電機(jī)。詳細(xì)介紹了傳感器電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動電路、控制電路和外圍電路的設(shè)計(jì)，采用角度傳感器SCA60C和模數(shù)轉(zhuǎn)換器MCP3221構(gòu)成了采樣及ADC模塊電路。主控芯片采用Silicon公司的C8051F340，根據(jù)接收的傳感器信號計(jì)算控制律，并通過單片機(jī)產(chǎn)生控制輸出，采用直流電機(jī)驅(qū)動芯片L298N將控制信號施加于執(zhí)行電機(jī)以控制電機(jī)及驅(qū)動模塊。在對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用PID控制方法，結(jié)合ADC數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)了位置型PID控制算法。設(shè)計(jì)中采用軟硬件結(jié)合的抗干擾技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。最后對系統(tǒng)進(jìn)行了整體測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)性能能達(dá)到題目規(guī)定的相關(guān)要求，并提出了優(yōu)化和改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)倒立擺；PID控制算法；控制系統(tǒng)；單片機(jī)系統(tǒng)方案旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)題目的設(shè)計(jì)要求，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)。擺桿E通過轉(zhuǎn)軸D固定在旋轉(zhuǎn)臂C的一端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂C在電動機(jī)A驅(qū)動下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，帶動擺桿E在垂直于旋轉(zhuǎn)臂C的平面作自由旋轉(zhuǎn)。圖1旋轉(zhuǎn)倒立擺結(jié)構(gòu)示意圖旋轉(zhuǎn)式倒立擺的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括旋臂、擺桿、直流電機(jī)以及角度傳感器部分。其中直流電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可由專門的電機(jī)驅(qū)動芯片L298N驅(qū)動。旋臂和擺桿之間由角度傳感器連接，擺桿可繞旋臂在垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。旋臂和擺桿的角位移信號由角度傳感器測量得到，作為系統(tǒng)的輸入量送入到控制器中，根據(jù)一定的算法計(jì)算得到控制律并轉(zhuǎn)化為電壓信號提供給驅(qū)動芯片，來驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動旋臂在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)控制擺桿直立的效果。旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在系統(tǒng)中，可通過傾角傳感器的反饋獲得自由擺末端被控對象的位移，控制驅(qū)動模塊實(shí)時讀取傳感器反饋的數(shù)據(jù)，確定控制決策（包括電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動角度等），同時控制模塊通過處理器內(nèi)部的控制算法實(shí)現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)控制量。使電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動被控對象運(yùn)動，達(dá)到目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)。圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為實(shí)現(xiàn)各模塊功能，提出了幾種設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行論證。1.1控制器模塊方案一：采用傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的運(yùn)算速度越快，運(yùn)動控制精度越高，所以對單片機(jī)的執(zhí)行速度有較高的要求，考慮到還有AD轉(zhuǎn)換問題，增加了設(shè)計(jì)和控制難度。方案二：主控板MCU選擇C8051F34X全速USBFLASH微控制器，該微控制器是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，低功耗，具有較強(qiáng)的處理能力，數(shù)字外設(shè)和USB控制器，能夠適用于多種工業(yè)應(yīng)用場合。本設(shè)計(jì)選用該方案。1.2控制電機(jī)模塊方案一：主控制器通過對電機(jī)的步進(jìn)數(shù)控制來實(shí)現(xiàn)擺桿的運(yùn)動，設(shè)計(jì)思想是將單擺運(yùn)動產(chǎn)生的角度變化轉(zhuǎn)化為電機(jī)的步數(shù)。系統(tǒng)單片機(jī)只需提供電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向信號和步進(jìn)脈沖，硬件連接簡單。優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)，易于編程且控制精確。但在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)抖動太大，平滑轉(zhuǎn)動效果不佳，不易于保持?jǐn)[桿平衡。方案二：采用直流減速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)精確控制，有較高的平穩(wěn)性，應(yīng)用到本系統(tǒng)中將帶來更高、更平滑的精度。因此本系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速較高、扭矩較大的直流電機(jī)作為本系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1.3傳感器模塊傳感器作為檢測系統(tǒng)信息的反饋通道，其性能好壞對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。本系統(tǒng)主要是對倒立擺末端垂直方向傾斜角度的檢測，使用單軸傾角傳感器?？紤]到檢測中物體高速運(yùn)動的微動方向，要求傳感器有較好的靈敏度和響應(yīng)速度，使用高精度低量程加速度傳感器SCA610，直接將其放在平板上就可以檢測出平面傾角。信號調(diào)理電路由低通濾波以及運(yùn)算放大兩部分組成。模數(shù)轉(zhuǎn)換使用12位ADC模塊，精度較高。1.4控制處理模塊控制處理模塊是平衡控制系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它接收傾角傳感器反饋的角度數(shù)據(jù)，并根據(jù)給定的PID控制算法計(jì)算出控制量，輸出后控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，維持系統(tǒng)的平衡，同時，監(jiān)控電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，通過軟件實(shí)現(xiàn)最佳位置控制及超速保護(hù)等。1.5數(shù)據(jù)傳輸方案方案一：有線方式交互數(shù)據(jù)。主控板要和擺桿末端的傳感器、步進(jìn)電機(jī)交互數(shù)據(jù)，可通過一些工藝和方法用有線方式進(jìn)行通信，但這種方法處理不好可能會造成對擺桿運(yùn)動的干擾。方案二：無線方式傳輸數(shù)據(jù)。利用藍(lán)牙或ZigBee等無線連接方式可實(shí)現(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是特別適合移動物體的通信，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。本設(shè)計(jì)采用方案一。理論分析與計(jì)算2.1PID控制算法國內(nèi)外對于倒立擺系統(tǒng)的控制方法主要有PID控制、可拓控制算法、模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法和遺傳算法。在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3PID控制原理圖本方案中只對系統(tǒng)的旋臂進(jìn)行控制，通過電機(jī)帶動旋臂旋轉(zhuǎn)，控制擺桿動作，選取擺桿角度作為反饋信號，PID控制系統(tǒng)圖如圖4所示。?ePID控制器u*旋轉(zhuǎn)式倒立擺e2+圖4PID控制系統(tǒng)u（t）=ke”t）+孔5u（t）=ke”t）+孔5如）流+笠嚴(yán)）dt公式1dt由于單片機(jī)控制是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計(jì)算控制律，需要對公式1進(jìn)行離散化處理，經(jīng)過變換后，在時域中最終采用的方式為公式2。C3）= +氏 +m'（"）一'（〃一之）7' 2 公式2其中Tf為采樣頻率。2.2擺桿狀態(tài)測量方法擺桿狀態(tài)測量主要通過兩個步驟予以確認(rèn)。第一步先采用傾角傳感器把相對于基準(zhǔn)面的傾角轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信號輸出；第二步，對傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換主要使用12位高精度AD完成，然后通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算出傾斜角度，可獲知擺桿的狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用芬蘭VTI生產(chǎn)的高精度低量程加速度傳感器SCA610。需要注意的是，元件類型的傾角儀，需要進(jìn)行校準(zhǔn)。方法是先測出某平面的傳感器輸出Vouta，將傳感器旋轉(zhuǎn)180o,再測出該平面的傳感器輸出VoutB，計(jì)算平均值為零度值。2.3建模與控制方法控制模型如圖5所示。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動時，讓步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率逐步升高到穩(wěn)定運(yùn)行時的工作頻率，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)停止時，讓步進(jìn)電機(jī)的，運(yùn)行頻率逐步下降直到停止。如果非常緩慢的升降頻，雖不會產(chǎn)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。對步進(jìn)電機(jī)的控制有兩個基本要求：第一是總步數(shù)符合給定值，第二是總的走步時間盡量短。為了達(dá)到上述要求，采用以下方法：建立一種隨時校核總步數(shù)是否達(dá)到給定值的機(jī)制，電機(jī)每換相一次，

都要校核一次?？赏ㄟ^查表方式，在RAM區(qū)中存放給定步數(shù)（與角度對應(yīng)），電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，按脈沖發(fā)送數(shù)量遞減單元中的數(shù)值，同時檢測單元中的數(shù)值是否為零。為零時說明電機(jī)已走完給定的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)總步數(shù)，應(yīng)停止發(fā)脈沖，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。正反轉(zhuǎn)的方向標(biāo)定由方向控制位決定。理想的電機(jī)起步、停止曲線應(yīng)為指數(shù)規(guī)律，這里按直線擬合方式。圖5圖5倒立擺系統(tǒng)控制模型硬件電路設(shè)計(jì)3.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)電路是處理器芯片所必需的電路結(jié)構(gòu)，包括電源電路、復(fù)位電路、晶振和調(diào)試接口。圖6是以C8051F34X為核心的最小系統(tǒng)電路。圖6最小系統(tǒng)電路圖6最小系統(tǒng)電路3.2傳感器模塊設(shè)計(jì)圖7傳感器模塊電路為了提高傳感器的抗干擾能力，在傳感器的電源輸入引腳處設(shè)置一個100nF的濾波電容，并以低阻抗接到地。輸出信號也通過一個小電容接地保護(hù)。由于傳感器的輸出電壓為0.5V-4.5V,而后續(xù)AD輸入為0—3V，故在傳感器輸出后加一分壓隔離電路。采用兩個10K的電阻器分壓后經(jīng)運(yùn)算放大器OPA300跟隨輸出。輸出端加低通濾波電路減少噪聲及干擾。圖7為傳感器

模塊電路。3.3電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V直流電源，電機(jī)需要提供12V直流電源，因此必須設(shè)計(jì)一個獨(dú)立的電源系統(tǒng)?；经h(huán)節(jié)包括降壓AC220V5OHZ整流一濾波一穩(wěn)壓等。其電路如圖8所示。^YYYYYYYYYA的電源系統(tǒng)?；经h(huán)節(jié)包括降壓AC220V5OHZ整流一濾波一穩(wěn)壓等。其電路如圖8所示。^YYYYYYYYYA圖8電源系統(tǒng)3.5電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動模塊采用L298N驅(qū)動模塊。輸入信號端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電楸1正轉(zhuǎn)。(如果信號端IN1接低電平，IN2接高電平，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)。)此外，為了便于控制，采用無線方式操控系統(tǒng)。其電路圖如圖9所示。Modulel電機(jī)GNDGNDMA+MBMA.MB-圖9電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)Modulel電機(jī)GNDGNDMA+MBMA.MB-圖9電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)VccGNDDVddA+B+M2BA- ___M2AT.298N-.-B-MlB5VMlAENB5VGNDAENB直流電機(jī)驅(qū)動模塊軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序分為系統(tǒng)初始化模塊和控制算法模塊。初始化模塊主要對狀態(tài)寄存器、中斷標(biāo)志、定時器、I/O口等進(jìn)行設(shè)置和初始化?？刂扑惴K程序中采用一個定時器，設(shè)置定時時間為15.625ms，則采樣頻率Tf為64Hz。當(dāng)產(chǎn)生定時中斷后，置PID標(biāo)志位PID_flag為1。主程序中判斷PID_flag為1后，即調(diào)用PID子程序。PID子程序中，主要完成比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的計(jì)算，根據(jù)公式2計(jì)算輸出控制量C(n)，并調(diào)用電機(jī)控制子程序。電機(jī)控制子程序中根據(jù)C(n)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動角度大小。其PID程序流程圖如圖10所示。

圖10PID子程序流程圖在實(shí)驗(yàn)過程中，擺桿抖動現(xiàn)象突出，需要采用一定的算法調(diào)節(jié)，這里借用PID調(diào)節(jié)的思想，利用微分控制，使其變化的偏差量與偏差的變化速度成正比，微分作用是依據(jù)偏差的變化趨勢動作的，微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。測試方案與測試結(jié)果先對各個模塊進(jìn)行獨(dú)立測試，發(fā)現(xiàn)均能正常工作，然后搭建實(shí)驗(yàn)平臺，整體進(jìn)行測試。5.1基本要求一測試擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，驅(qū)動電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)運(yùn)動使擺桿擺動，發(fā)現(xiàn)在很短時間內(nèi)擺角超過-60o—+60o。完成本項(xiàng)要求。5.2基本要求二測試擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，驅(qū)動電機(jī)工作，逐步增大了擺桿的擺動幅度，在10s內(nèi)完成了擺桿的圓周運(yùn)動。完成了本項(xiàng)要求。5.3基本要求三測試從測試結(jié)果分析，系統(tǒng)完成了基本要求，但在控制算法上仍需改進(jìn)，可避免過大的超調(diào)，保證系統(tǒng)的控制精度。同時，在電機(jī)的選型上應(yīng)使用轉(zhuǎn)速較高、扭矩較大的直流減速電機(jī)。結(jié)論本系統(tǒng)主要解決了旋轉(zhuǎn)倒立擺的基本控制問題，在科學(xué)分析論證的基礎(chǔ)上，搭建了完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟硬件平臺，并進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明達(dá)到了基本要求，但需要對控制算法進(jìn)行改進(jìn)。參考文獻(xiàn)：1王志剛.現(xiàn)代電子線路［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2003年10月，第一版.2江晨.旋轉(zhuǎn)倒立擺的控制算法研