目录目录摘要IAbstract.II1 绪论.11.1倒立摆的系统简介.11.2倒立摆控制策略研究的意义与发展状况.12 控制系统的硬件设计.22.1控制系统的结构方案22.2角度传感器的选择与论证22.2.1增量式旋转编码器的功能介绍及其特点.22.2.2 绝对式旋转编码器的功能介绍及其特点.22.3电机的选择与论证32.3.1 步进电机.32.3.2 360度旋转舵机.32.3.3 带速度闭环的直流电机.32.4电机驱动模块的选择与论证32.4.1 L298N集成芯片32.4.2 L298N芯片43 理论分析与计算53.1 机械结构设计的分析53.2电机物理模型的分析与计算53.2.1 直流电机的机械特性53.2.2 直流电机的动态特性分析53.2.3 直流电机加速度分析与计算63.3摆杆运动状态的分析及控制思路63.3.1摆杆振动63.3.2摆杆做圆周运动63.3.3摆杆达到倒立平衡状态73.4摆杆控制量的分析与计算73.4.1 摆杆起振状态分析73.4.2 摆杆进入开始调整倒立平衡的角度范围84程序与电路的设计104.1电路的设计104.1.1系统总体框图104.1.2系统的电路原理图104.1.3电机驱动模块的电路设计104.2程序的设计114.2.1程序功能描述与设计思路114.2.2程序流程图115测试方案与测试结果分析1315.1测试方案135.2 测试条件与仪器135.3 测试结果及分析135.3.1测试结果(数据)135.3.2测试分析与结论14结论.15参考文献.16致谢.17附录1：系统电路原理图18151绪论1绪论倒立摆系统是理想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位的满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统干扰能力等，都可以通过倒立摆直观的表现出来。1.1倒立摆的系统简介倒立摆系统具有模块性好和品种多样化的优点。其基本模块即可是一维直线运动平台或旋转运动平台，也可以是二维运动平台。通过增加角度传感器和一节倒立摆杆，可构成直线单节倒立摆、旋转单节倒立摆或二维单节倒立摆；通过增加两节倒立摆杆和相应的传感器，则可构成两节直线倒立摆和两节旋转倒立摆。倒立摆的控制方法和杂技运动员倒立平衡表演技巧有相同之处，极富趣味性，学习自动控制课程的学生通过使用它来验证所学的控制理论和算法，加深对所学课程的理解。由于倒立摆系统机械结构简单、容易设计和制造，成本廉价，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为常见的控制教学设备。1.2倒立摆控制策略研究的意义与发展状况由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将他视为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法。因此倒立摆系统也是进行控制理论研究的理想平台。直线运动行倒立摆外形美观、紧凑、可靠性好。除了为每个子系列提供模块化的实现方案外，其控制系统的软件平台采用开放式结构，是学生建立不同的模型，验证不同的控制算法，提供不同的层次的学生进行试验和研究。由于采用了运动控制器和伺服电机进行实时运动控制，以及齿型带传动，固高公司的倒立摆系统还是一个典型的机电一体化教学实验平台，可以用来进行各种电机拖动、定位和速度跟踪控制实验，让学生理解和掌握机电一体化产品的部件特征和系统集成方法。2控制系统的硬件设计 2控制系统的硬件设计 2.1控制系统的结构方案为实现简易旋转倒立摆控制系统中各控制模块的实现方式的硬件的多样性，为满足实验教学和研究工作的基本要求，该控制系统主要采用主控模块、角度传感器模块、数模转换模块、电机驱动模块、机械结构模块等几部分组成，如图2-1所示1。A.电动机 B.支架 C.旋转臂 D.转轴 E.摆杆 F.转轴图2-1系统方案设计图 2.2角度传感器的选择与论证 角度传感器2可分为绝对值式旋转编码器和增量式编码器，还可以采用陀螺仪用程序控制来计算角度，但就本设计方案来说主要考虑的还是编码器，现主要介绍两种编码器的主要功能和选择方案。2.1.1 增量式编码器的功能介绍及其特点 增量式编码器3是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。而且增量式编码器价格低廉易得，反馈的信号可以满足题目的要求。2.2.2 绝对值式旋转编码器的功能介绍及其特点绝对值式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。但是绝对值式编码器体积和重量不太理想，安装后可能会对电机有较大的干扰，而且绝对值编码器相对昂贵，性价比不高。综上所述以上两方案，选择增量式编码器作为本系统方案设计的角度传感器。2.3电机的选择与论证1.3.12.3.1 步进电机步进电机4是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。但在超速情况下运转，开环会产生丢步或堵转的现象，开环控制情况不尽人意，所以步进电机不是本系统的首选电机。1.2.22.2.2 360度旋转舵机舵机为随动系统，运动时可以外接较大的转动负载，输出扭矩大，而且抗抖动性很好。360度旋转舵机内置驱动电路，用单片机输出的信号可以直接驱动，接线方便，但是舵机的转速普遍很低，加速度不能达到理想的要求。1.3.12.3.1 带速度闭环的直流电机我们对于直流电机的数学模型较为熟悉，而且能够比较精确地控制位置速度、加速度，只要在选择直流电机型号的时候注意选择额定参数较大的电机，能够输出足够的转矩带动负载就可以达到要求。而且带速度闭环的直流电机可以。故综上考虑选择直流减速电机。2.4电机驱动模块的选择与论证2.4.1 L298N集成芯片 L298N5是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。2.4.2 L298N芯片自制L298N驱动模块，因为L298N驱动电路较简单，外围元器件低廉。在将自己制作的L298N电路连线调试之后，我们发现完全可以在程序要求的频率下工作，但死区电压有些不近人意，低速是电机会有抖动现象，一端输出大电压之后，带宽降低，满足不了本实验要求。本系统中控模块采用STC89C51最小系统，故采用L298N集成芯片。3理论分析与计算3理论分析与计算3.1 机械结构设计的分析3.1.1 摆杆直流减速电机输出的扭矩不是很大，所以当负载较轻时可以忽略为空载，进而为计算和程序控制带来很大的方便，所以在选择摆杆时要选择力学性能好的材料碳纤维，它的比重是刚的四分之一，但强度却是钢的79倍之多，抗拉弹性模量为230430Gpa同样也高于刚。并且是中空碳纤维摆杆，是较理想的摆杆。3.1.2 底座底座是我们自己教工制作的，但其连接达不到完全对称的效果，而导致电机一定在底座的中央，因此我们选择较大质量的钢板来作底座，并添加筋来固定底座用以防止底座的倾倒和较大的震动，最后用固定装置将其固定在桌子上。经测试，该装置可以承受减速直流电机高速转动带来的离心力的作用。3.2电机物理模型的分析与计算3.2.1 直流电机的机械特性直流电机在稳态运行下，有下列方程式6： (3-1) (3-2) (3-3)3.2.2 直流电机的动态特性分析电机传动系统的运动方程式为： (3-4)机械特性方程式为： (3-5)由公式(3-1)和公式(3-2)得出转速随时间变化的规律为： (3-6)由上述分析可以得：直流电机为一阶惯性系统。3.2.3 直流电机加速度分析与计算由公式(3-4)求导可以得到： (3-7)上式中加速度为a，公式(3-4)经变换可得到加速度的表达式： (3-8) 再结合直流电机机械特性的三个方程式可以得到电机电压与加速度的关系如公3-9式所示。 (3-9) 3.3摆杆运动状态的分析及控制思路3.3.1 摆杆振动摆杆从静止开始到振荡是一个需要摆动幅度逐渐增大的过程。但对于电机的程序控制，是通过检测反馈信号到单片机的摆杆摆动的角度，然后单片机输出PWM来调节脉冲宽度进而控制一个小的加速度给电机，这个加速度使摆杆向反方向摆动更大的角度。在以上的程序设计的基础上，又结合了直流电机的物理模型特性