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1、第八篇DSP应用及算法1041基于DSP技术实现倒立摆拟人智能控制系统曾鑫张明廉北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京，100083摘要根据单轨小车例立摆拟人智能控制算法的特点，利用造于电机控制且内嵌丰富外设模块的DSP芯片TMS320LF2407A，提出了用DSP芯片实现倒立摆控制系统的策略。文中详细介绍了控制系统中TMS320LF2407A的外围硬件电路设计和软件设计方案，并以单摆为对象进行了实物控制，表明方法有效。关健字DSP，丁MS3201,F2407A,例立摆，拟人智能拉制，SCI数据通信1引言倒立摆是一个典型的决速、多变量、开环不稳定、非线性的高阶系统，由
2、于倒立摆系统运动钱件与控制火箭稳定飞行和双足步行机器人关节运动有很大相似性，因此研究倒立摆具有重要的实践意义，一直受到国内外学者的广泛关注。在对倒立摆系统的研究中，一部分是针对实际物理摆进行设计，试验和控制研究，这其中多为单电机的导轨小车结构，也有部分采用旋转方式架构实现摆起和稳定控制，但是多为计算机控制方式。而本文所介绍的是基于单电机导轨小车式结构，利用拟人智能控制方法和DSP技术实现的一类倒立摆控制系统方案，与一般的计算机控制方式相比，具有控制系统硬件结构一体化，体积小、可靠性高、专用性等优点下面先简要介绍倒立摆系统及拟人智能控制在倒立摆控制中的应用，再详细分析基于丁MS
3、3201_F2407ADSP技术倒立摆控制系统的软、硬件设计和实现方案2基于DSP技术倒立摆控制系统概述由于单电机导轨式各级倒立摆仅摆杆数目不同，这里以三级倒立摆为例介绍.如图1所示三级倒立摆系统由导轨、小车与三根摆杆构成。导轨一端固定有位置传感器，另一端固定有力矩电机，小车被电机驱动沿导轨滑动，小车上下摆杆和中摆杆顶端固定有角度传感器，用以测量它上面摆杆的角度信号;位置信号分别通过微分电路得到相应的速度信号;所有反馈信号经A/D转换为数字信号进人DSP，由拟人智能控制算法计算出控制所需电压值经D/A转换为模拟信号经模拟放大器输出电压驱动电机，电机旋转由皮带拖动小车在导轨上往
4、复运动实现对倒立摆的有效控制。系统信号流程如图2所示。上摆摆杆角度传感器3中摆摆杆角度传感器2下摆摆杆角度传感器1位置传感器驱动电机导轨/献图1三级倒立摆结构示意图图2DSP控制系统信号流程图3拟人智能控制在倒立摆系统中的应用拟人控制设计控制系统的依据是被控对象的物理模型。针对控制目标确定输出变量.通过广义归约得到本原问题集。以能使偏离后的被控对象复位为原则和出发点，利用有关学科知识和人类一般控制经验，直接形10422003年全国单片机及嵌入式系统学术年会论文集(下册)成定性控制律，经调试、智能搜索转化成定量控制律.形成定性控制律过程中务必计入子问题之间的藕合U。由此可得
5、单级、二级和三级倒立摆控制律分别为[z.a7u=ko0+0+k,x十Lx(1)u=k_x十k.x+ka}B,+k5,A,+k,,0,一k6。(2)u一k,x+k.x+k,,6,+kl,6,+k,。:+ka,6,+k,。+ka‘，(3)此外，考虑到执行元件一力矩电机存在死区非线性，将上述控制律作如下处理:u=u+sgn(u)X△(4)再考虑到力矩电机存在的输出非线性，将式(4)控制律又作如下处理:u一sgn(u)X100积哥(5)针对实际调试过程中，摆杆基本稳定在竖直位置，但小车不停左右漂移的现象，对小车位置信号进行滤波取出这个长周期信号后进行负反馈设计，成功抑制了小车长周期漂
6、移。在广义归约并拟人形成控制律后，就可利用智能算法，如GA遗传算法、混沌，神经元网络等，在建立倒立摆数学模型的基础上，进行定量搜索得到控制参数a14控制系统硬件结构模块设计由于TMS3201.F2407ADSP体系结构专为实时信号处理而设计，将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，是控制系统应用的理想解决方案，因此，在这里选用它作为控制系统核心处理器。控制系统各功能模块硬件结构原理图如图3所示。~︸画数据总线外部RAM倒立摆输入CY7C1021困地址总线︸读写控制︸逻辑画功放路5742DAC月执行电机Gi,AL图困逻辑门电路&画困外扩小键盘仿真器电源管理TMS320LF240
7、7ADSP图3倒立摆控制系统硬件原理图4.1外部零等待状态SRAM为了能够存储控制算法所需的大量数据和程序代码，同时也为了易于仿真调试，这里选用CY7C1021进行外部SRAM扩展。CY7C1021芯片具有3.3V供电，12ns快速读写周期以及64KX16位字空间，配合2407ADSP片上外部存储器接口控制信号可很容易的实现零等待状态访问时序实现方法为:将PS和DS信号经GAL16V8逻辑相与后作为CY7C1021的〔E片选信号，2407A的WE和RD信号直接作为CY7C1021的丽工和6E写读控制信号
