2013年电子设计大赛旋转倒立摆

2013年全国大学生电子设计竞赛

简易旋转倒立摆及控制装置

(C题) [本科组

2013年9月7日

摘要：设计并制作了一个基于PID控制的倒立摆系统。选用低功耗单片机

AT89C51、减速电机、电位器等器件，完成基本功能。以单片机控制减速电机转速，改变摆杆转角θ，并保证让摆杆在同一平面内做圆周运动，最终使摆杆达到倒立（在规定的-165°至 165°范围内）稳定状态。

关键字：AT89C51单片机；减速电机；电位器

Abstract： Designed and produced an inverted pendulum system based on PID control.

Choose low power single chip microcomputer AT89C51, gear motor, potentiometer, such as device, complete the basic functions. With single-chip microcomputer control deceleration motor speed, change the swinging rod Angle theta, and ensure that the swinging rod is circular motion in the same plane, eventually make the swinging rod upside down (in the rules - 165 ° to 165 °) steady state.

Keywords: AT89C51、 Gear motor、 potentiometer

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目 录

序……………………………………………………….5 前言………………………………….....………………6 1系统方案 ..............................................................7 1.1 系统结构 .......................................................8 1.2方案的比较和选择 ...................................... 10 1.2.1电机的论证与选择 ....................................... 10 1.2.2电机驱动的论证与选择………….................………11 1.2.3速度控制.................................................... 12 2理论分析与计算...................................................13 2.1电动机选型 ................................................ 13 2.2摆杆状态检测.............................................. 15

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2.3驱动与控制算法 ..........................................19 3电路与程序设计 .................................................23 3.1电路的设计 ..................................................23 3.1.1控制部分用51单片机.................................... 23 3.1.2硬件部分.................................................... 24 3.1.3软件部分.....................................................24 3.1.4部分器件原理 ............................................ 25 3.2程序结构与设计.......................................... 26 4设计小结 ...........................................................30 5参考资料 .........................................................32

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序

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抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观的表现出来。

倒立摆系统具有模块性好和品种多样化的优点，其基本模块既可是一维直线运动平台或旋转运动平台，也可以是两维运动平台。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、旋转单节倒立摆或两维单节倒立摆；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。

倒立摆的控制技巧和杂技运动员倒立平衡表演技巧有异曲同工之处，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、易于设计和制造，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。

同时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它视为研究对象，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。

直线运动型倒立摆外形美观、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，使学生建立不同的模型，验证不同的控制算法，供不同层次的学生进行实验和研究。

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。

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前 言

设计任务说明：

我们小组研制的二级旋转式倒立摆系统，是一个典型的机电一体化系统，采用电位器和减速电机进行实时运动控制。二级旋转式倒立摆，及其功能扩展后的位置伺服系统。

由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性，许多控制理论的研究人员一直将它作为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法，相关的成果在航天科技和机器人学方面获得了广泛的应用。因此，倒立摆设备也是进行控制理论研究的理想平台。

二级旋转式倒立摆系统可以方便地构成一个位置控制系统的被控对象，并配置由运算放大器组成的校正网络实验箱，构成位置控制系统进行经典控制理论（调节原理）的教学实验。也可用VC++6.0实现模拟运算放大器校正网络的功能。通过微机配置的调节原理实验软件，在计算机上实现系统的稳定性、时域特性、频域特性分析和品质校正的实验。此外，配置计算机控制系统和控制系统计算机辅助设计等课程的相关软件，用于控制系统设计类课程的实验。

综上所述，二级旋转式倒立摆系统的系列产品是一个多功能的教学实验平台，有利于系统的小型化，控制更加快速，抗干扰性强，控制品质有很大提高，可用于多门课程的教学实验。

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