简易旋转倒立摆和控制装置设计

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1、简易旋转倒立摆和控制装置设计　　【摘要】本装置以K60单片机为主控模块，通过人机交互模块实现不同模式切换及摆杆实时角度检测，实现对其控制。主控模块对角度测量模块采集的数据按建立的数学模型，采用PID算法控制直流电机，实现系统的自动控制。主控模块装置将摆杆位置是否人为干预作为关键点进行控制，具有制作方法简单，系统操作控制方便，摆杆倒立持续时间长等特点，达到了设计要求。【关键词】旋转倒立摆；PID控制；KinetisK60单片机；模块倒立摆系统作为一种控制装置，具有结构简单、成本较低，便于模拟和验证多种控制方法有效性等特点。本文对2013年全国大学生电子设计竞赛C题

2、开展探索研究。根据题目要求，综合考虑各模块备选方案的性能、操作简易程度、稳定性等方面优选出本装置最终采用的各部件，自行组装调试后，进行现场测试验证，测试结果表明该装置在自启动及人为干预模式下，摆杆均具有延时倒立的能力。1.系统方案1.1主控模块采用Kinetis6K60单片机，该系列单片机具有高性能、高精度的混合信号能力，宽广的互联性，人机接口和安全外设等性能。提供高达180MHz的性能和IEEE1588以太网MAC，硬件加密支持多个算法，以最小的CPU负载提供快速、安全的数据传输和存储。系统安全模块包括安全密钥存储和硬件篡改检测，提供用于电压、频率、温度和外部

3、传感（用于物理攻击检测）的传感器。1.2角度测量模块采用角位移精密导电塑料传感器对摆角进行检测，该传感器属电阻分压原理，在传感器敏感电阻两端连接一恒定电压源，传感器通过电刷在导电塑料电阻体导轨上的移动获得输出，电刷的移动与被测位移一致，输出电压与位移量成线性关系，其指标用线性度表示，该值越小，精密度越高。1.3人机交互模块出于简单高效考虑，以诺基亚5110液晶屏及按键构成。液晶屏控制只需6、7个控制端口，占用端口少，刷屏速度快，能够满足装置要求。按键作为本系统中不同模式下的高速、便捷切换。1.4动力模块1.4.1电机6采用直流减速电机，即齿轮减速电机。该电机是在

4、普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。能耗低，性能优越，减速器效率高，振动小，噪音低。1.4.2电机驱动模块该模块核心芯片是L298，其芯片内部包含4通逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V，2A以下的电机，1.4.3电源模块电源以7.2V经过变压部分和稳压部分为整个系统提供±5V或者±12V电压，确保电路的正常稳定工作。该电路均采用三端稳压管实现。1.5系统总体框图本

5、系统主要由主控模块、角度测量模块、电机、电机驱动模块、电源模块、人机交互模块组成，系统总体框图如图1所示。图1系统总体框图2.系统控制2.1系统数学模型建立建立准确的数学模型是控制系统设计的基础。目前，对倒立摆系统建模一般采用两种方法：牛顿力学分析方法和欧拉一拉格朗日方法。为了简化建模过程，采用la-grange方程来推导系统模型[1]。6首先按旋转式倒立摆装置中旋转臂、转轴与摆杆之间的运动关系建立参考坐标系如图2所示。图2旋转式倒立摆参考坐标系2.1.1计算系统总动能摆杆和旋转臂的连接点为D。摆杆E上距D点l2处、长为dL的一小段，其坐标为：故摆杆的总动能为：

6、同理可以推导出旋转臂的动能T1以及旋转臂和摆杆连接处电位器的动能T3。于是系统的总动能为：T=T1+T2+T3。2.1.2计算系统总势能以摆杆自然下垂时质心所在平面为零势能面，则系统的总势能为：2.1.3由拉格朗日方程推导系统模型拉格朗日算子H=T-V，由拉格朗日方程推导出一阶旋转式倒立摆系统空间状态表达式，再进一步推导和演算可以得到该系统的数学模型：2.2系统算法控制6目前，国内外对于倒立摆系统的控制方法有PID控制、现代控制算法、可拓控制算法等。本系统采用PID控制。即通过对倒立摆系统物理模型进行力学分析，建立其动力学模型，设计出PID控制器实现稳定控制。P

7、ID控制具有结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点{2}，PID参数的选择通常采用尝试法进行，根据设计者经过不断尝试设定，可通过调试达到预想的状态。故该控制在2.1系统数学模型的基础上，建立其动力学模型，设计出PID控制器实现稳定控制。2.3系统程序控制根据题目要求，按装置自启动及人为干预模式分别进行程序设计，系统程序流程如图3所示。图3旋转倒立摆系统程序流程图3.测试过程及结果3.1机械部件测试首先测试机械零点。即摆杆处于自然下垂状态时，摆角处于0位。其次，摆杆要能够在垂直平面灵活旋转。将摆杆拉起至水平位置后松开，摆杆至少能够自由摆动3个来回。3.2系

8、统测试首先对电源模块输出