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基于自由摆的平板控制系统(B题)

基于自由摆的平板控制系统（B题）

【本科组】

【摘要】：系统主要有摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统四大部分组成。本文详细介绍了控制系统的软硬件组成以及控制回路的工作原理。主控板用STC89C51单片机,把高精度倾角传感器采集到的数据通过积分分离增量式PID控制算法，对步进电机进行实时控制。本文详细介绍了传感器电路、信号处理电路、单片机最小系统电路、电机驱动电路以及扩展所需的其它一些外围电路设计。

在本设计中为使测控系统控制更精确，在数据采集的过程中采用了非线性误差校正以及数字滤波等数据处理方法。同时设计中考虑到可能存在的各种干扰因素，采用了软硬件结合的抗干扰技术，提高系统的稳定性。最后对系统进行了模拟性能测试，测试机过表明，系统性能良好。

【关键词】：STC89C51、自由摆、平衡控制、单轴倾角传感器

【Abstract】:The system is mainly formed by the swing frame, data collection part, main control board and drive system. This thesis introduces control system’s software and hardware composition as well as control loop’s operation principle in detail. The data collection part uses high precision and low range acceleration inclination senor. The main control rule uses integral separation incremental PID control algorithm.

In order to make the systems control to be more precise, the project uses non-liner error correction, digital filtering and other data processing methods in the process of data collection. The design also considers the possibility variety of interfering factors that may exist, and uses a combination of hardware and software anti-interference technology to improve system stability. In the end, paper carries out simulation system performance test, and test results show that the system performs well as expected.

【Keyword】:STC89C51，balance control，f ree pendulum，Single-axis tilt sensor

1系统方案 (4)

1.1系统总体方案设计与结构框图 (4)

1.2方案论证与比较 (5)

1.2.1 控制器模块 (5)

1.2.2步进电机模块 (5)

1.2.3 电源模块 (5)

1.2.4 角度传感器模块 (5)

1.2.5 显示模块 (6)

2理论分析与计算 (6)

2.1 理论分析 (6)

2.1.1 基本要求部分 (6)

2.1.2 发挥部分分析 (8)

3 电路与程序设计 (9)

3.1 系统电路设计 (9)

3.1.1 单片机最小系统电路图 (9)

3.1.2步进电机驱动电路 (10)

3.1.3 按键电路 (11)

3.1.4 角度传感器的电路 (11)

3.1.5 显示模块 (13)

3.2 软件设计 (13)

4 测试方案与测试结果 (15)

4.1 系统调试 (15)

4.2调试结果 (15)

4.3 测试结果与分析 (16)

参考文献： (17)

附： (17)

1 系统原理总图 (17)

2 主程序代码 (17)

1系统方案

1.1系统总体方案设计与结构框图

自由摆平板控制系统由控制器模块、数据采集模块、角度传感器模块、步进电机模块、电源模块、显示模块组成。在系统中，可通过倾角传感器的反馈获得自由摆末端被控制对象的倾斜角度，然后由控制器系统读取传感器反馈数据，确定步进电机转动的方向和转速，同时控制模块通过处理器内部的控制算法实现该控制决策，以达到目标运动状态。

图1 系统结构框图

1.2方案论证与比较

1.2.1 控制器模块

方案一：综合考虑我们采用STC8051单片机控制，优点是结构简单，操作方便，易于控制，成本低廉。

方案二：：采用凌阳公司的SPCE061作为控制核心，该芯片是16位单片机资源丰富，很多模块用不到，在该系统中性价比较低。

综合考虑我们采用方案一，用单片机控制。

1.2.2步进电机模块

方案一：采用28BYJ-48步进电机，电机有力度大，转速范围较小。

方案二：采用42BYGH3410步进电机，速度变化的范围广，但是价格贵，力度稍小。

为满足设计要求，我们选择方案二。

1.2.3 电源模块

方案一：采用开关直流稳压电源。开关电源功率大，效率高，但是纹波大，价格相对较高。

方案二：采用线性直流稳压电源。线性稳压电源制作简单，输出稳定，性价比较高。

综合考虑系统方案，我们选择方案二。

1.2.4 角度传感器模块

方案一：采用单轴倾角传感器，体积小、重量轻。易于集成；采用工业器件性能稳定、可靠；抗震动，抗冲击；高性价比。

方案二：采用mma7455加速度传感器，灵敏度较大，不易控制。

综合考虑我们采用单轴倾角传感器。

1.2.5 显示模块

采用1602液晶屏显示液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。根据显示内容可以分为字符型液晶，图形液晶。根据显示容量又可以分为单行16字，2行16字，两行20字等等。

2 理论分析与计算

2.1 理论分析

2.1.1 基本要求部分

要使硬币不从平板滑落需要步进电机转过一定的角度，将微分的状态连续起来就是主控器控制步进电机在每个状态所要调整平板的角度。

如图2所示：根据受力分析，求得加速度。把步进电机和硬币看成一个整体：00m+m gsin =m+m θα（）（），=gsin αθ

图3 对硬币受力分析

如图3所示，求得硬币受力角β。设硬币和平板的摩擦因数为μ，硬币质量为m ：

m sin mgcos m g a βμβ-=

则sin cos =sin βμβθ-

+=sin tan =1=arcsin arctan βγθγμβμ

（），-（）根据调试的结果修正μ的值，只有当=βθ时，才能始终保持平板上的硬币不从其上滑落下来。

2.1.2 发挥部分分析

图4 激光灯射线分析图

在ACD 中由余弦定理得：

222

2**cos AD AC CD AC AD θ+-=,且AC AD 100cm=1m ==，

所以可得：,

在等腰ACD ?得：ACD=ADC=90,DCB=22θθ

∠∠?-∠

在直角ACB 可得：AB ==

在222

cos 22**CD BC BD DCB CD BC θ++?=中由余弦定理得：

得BD =,

在ADB 中由余弦定理

得：22cos cos ADB --∠=

得：22cos arccos ADB --∠=

所以22cos =ADB-90=arccos α--∠??-90。当外力使摆杆摆动到当某一固定值~60θ??（30）

的时候，平板始终与摆杆垂直，此时在让步进电机带动其平板转动α同时通过PID 算法对步进电机进行修正，就可很好的满足题意的设计，使激光笔照射在A4纸的中心线上。 3 电路与程序设计

3.1 系统电路设计

整个系统的硬件电路原理图分为控制电路（单片机最小系统），步进电机电路，按键电路单独实现每一步的系统功能，角度传感器电路，液晶显示和LED 显示电路。

3.1.1 单片机最小系统电路图

本系统使用的STC8051单片机主要对采集的角度值进行PID 运算。进而孔子步进电机的运转。外围电路较少。主要电路如图5所示：

自动控制原理课程设计——倒立摆系统控制器设计

一、引言支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装置的叫倒立摆。倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。问题的提出倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自有连接（即无电动机或其他驱动设备）。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。倒立摆的控制方法倒立摆系统的输入来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。直流电机通过皮带带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。作用力u平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置（竖直向下）。为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。本次设计中我们采用其中的牛顿－欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型，然后通过开环响应分析对该模型进行分析，并利用学习的古典控制理论和Matlab /Simulink仿真软件对系统进行控制器的设计，主要采用根轨迹法，频域法以及PID（比例-积分-微分）控制器进行模拟控制矫正。

单级倒立摆系统的分析与设计

单级倒立摆系统的分析与设计小组成员：武锦张东瀛杨姣李邦志胡友辉一．倒立摆系统简介倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其研究具有重大的理论和实践意义。由于倒立摆系统本身所具有的上述特点，使它成为人们深入学习、研究和证实各种控制理论有效性的实验系统。单级倒立摆系统（Simple Inverted Pendulum System）是一种广泛应用的物理模型，其结构和飞机着陆、火箭飞行及机器人的关节运动等有很多相似之处，因而对倒立摆系统平衡的控制方法在航空及机器人等领域有着广泛的用途，倒立摆控制理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器入技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。最初研究开始于二十世纪50年代，单级倒立摆可以看作是一个火箭模型，相比之下二阶倒立摆就复杂得多。1972年，Sturgen等采用线性模拟电路实现了对二级倒立摆的控制。目前，一级倒立摆控制的仿真或实物系统已广泛用于教学。二．系统建模 1．单级倒立摆系统的物理模型图1：单级倒立摆系统的物理模型

单级倒立摆系统是如下的物理模型：在惯性参考系下的光滑水平平面上，放置一个可以在平行于纸面方向左右自由移动的小车（cart ），一根刚性的摆杆（pendulum leg ）通过其末端的一个不计摩擦的固定连接点（flex Joint ）与小车相连构成一个倒立摆。倒立摆和小车共同构成了单级倒立摆系统。倒立摆可以在平行于纸面180°的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的摄动下摆杆仍然保持竖直向上状态。在小车静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆受到微小的摄动时就会发生不可逆转的破坏而使倒立摆无法复位，这时必须使小车在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。依照惯性参考系下的牛顿力学原理，作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，单级倒立摆系统是一个非线性系统。各个参数的物理意义为： M — 小车的质量 m — 倒立摆的质量 F — 作用到小车上的水平驱动力 L — 倒立摆的长度 x — 小车的位置 θ— 某一时刻摆角整个倒立摆系统就受到重力、驱动力和摩擦阻力的三个外力的共同作用。这里，驱动力F 是由连接小车的传动装置提供，控制倒立摆的稳定实际上就是依靠控制驱动力F 使小车在水平面上做与倒立摆运动相关的特定运动。为了简化模型以利于仿真，假设小车与导轨以及摆杆与小车铰链之间的摩擦均为0。 2．单级倒立摆系统的数学模型令小车的水平位移为x ，运动速度为v ，加速度a 。小车的动能为212kc E Mx =，选择特定的参考平面使得小车的势能为0。摆杆的长度为L ，某时刻摆角为θ，在摆杆上与固定连接点距离为q （0

自由摆的控制系统

2011年全国电子设计大赛基于自由摆的平板控制系统（B题） 2011年9月4日目录

1 方案的设计与论证 (2) 1.1控制芯片的选择 (3) 1.2电机的选择 (3) 1.3角度传感器的选择 (3) 2 实际电路设计 (3) 2.1最小系统 (4) 2.2系统组成原理 (4) 2.3角度移位传感器 (4) 2.4电机控制和驱动 (5) 2.5显示模块 (6) 2.6按键模块 (6) 2.7电源模块 (6) 3 实际软件设计 (5) 3.1软件程序功能描述 (6) 3.2程序流程图 (5) 4 实际系统的测试结果 (6) 4.1 测试仪器 (6) 4.2测试数据 (6) 4.3误差分析 (7) 5 创新部分 (7) 6 设计总结 (7) 7 附录 (8) 附1：部分元器件清单 (8) 附2：原理图 (8) 附3：部分程序清单 (8)

摘要：为了对自由摆的平板控制系统的要求，我们进行了各方面的精细筛选最终我们选择了TI公司的MSP430F149单片机作为我们的系统控制核心,它具有16位的处理数据，处理数据快，内含8个12位高精度AD。在电机驱动方面应用了TA8435H来驱动双直流的步进电机来控制平板。系统的显示是采用了12864，，显示清晰可观，美观大方。在采集数据方面我们应用了高精度的角位移传感器WDD35D4。我们的系统的软硬件设计都是采用了模块化的设计思想。. 最终实验证明，系统完全可以达到设计的要求，完成了基本部分和发挥部分的要求。本系统在设计当中还力求了低功耗高性价比等。关键字：MSP430F149 TA8435H 12864 WDD35D4

自动控制原理课程设计-倒立摆系统控制器设计

1 引言支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装置的叫倒立摆。倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。 1.1 问题的提出倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自有连接（即无电动机或其他驱动设备）。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。 1.2 倒立摆的控制方法倒立摆系统的输入来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。直流电机通过皮带带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。作用力u平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置（竖直向下）。为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，

需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。本次设计中我们采用其中的牛顿－欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型，然后通过开环响应分析对该模型进行分析，并利用学习的古典控制理论和Matlab /Simulink仿真软件对系统进行控制器的设计，主要采用根轨迹法，频域法以及PID（比例-积分-微分）控制器进行模拟控制矫正。 2 直线倒立摆数学模型的建立直线一级倒立摆由直线运动模块和一级摆体组件组成，是最常见的倒立摆之一，直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由度，小车可以沿导轨水平运动，在小车上装载不同的摆体组件。系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入－输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。鉴于小车倒立摆系统是不稳定系统，实验建模存在一定的困难。因此，本文通过机理建模方法建立小车倒立摆的实际数学模型，可根据微分方程求解传递函数。 2.1 微分方程的推导（牛顿力学方法）微分方程的推导在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如图1所示。做以下假设： M小车质量m摆杆质量 b小车摩擦系数I 摆杆惯量

基于STM32的风力摆控制系统的设计

龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d23776247.html, 基于STM32的风力摆控制系统的设计作者：黄一珀丁斌董杨潘嘉睿来源：《中国新通信》2016年第22期【摘要】该风力摆控制系统是由单片机控制核心、ADXL345 数字三轴重力加速度芯片、直流电机、电机驱动模块以及液晶显示模块几个部分构成的闭环系统。利用单片机产生不同占空比的PWM波给驱动模块让其产生正弦波驱动为电机提供工作电压，运用相位合成和占空比调节实现对风力摆的运动轨迹控制，通过实际数据试验出风力摆的控制规律，稳定的完成了风力摆的直线运动和曲线运动要求。【关键词】正弦波角度传感器直流电机一、设计方案及原理分析本系统由机械结构、控制模块、电机驱动模块、摆杆角度测量模块、电机和电源等组成，下面分别论证一下几个模块的选择。 1.1机械结构的设计方案风力摆控制系统是一个完整的测量控制系统，其中的机械结构则是这个测控系统的对象，对象的好坏在很大程度上会影响到后期控制算法的设计，对象制作的越稳定可靠，系统的性能就会越好。所以在制作这样一个精密控制系统的时候，前期的机械结构的制作是非常关键的一步，在制作的时候要尽量确保它的稳定性，例如选用合适的材料、采用尽量好的制作工艺等。该风力摆控制系统中，机械结构大概分成以下几部分，风机、摆杆、摆杆转轴、底座和激光笔。 1.2控制模块方案采用STM32F103单片机作为主控芯片。STM32F103基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex—M3内核，强大的定时、中断功能，方便对传感器模块和电机的控制，可以快速进行复杂的运算。同时具有大容量的RAM和ROM，可存储大容量的程序。编程时可以直接调用库函数，提高编程效率。能够较为迅速的从传感器中采集数据进行处理，并快速反馈给电机进行下一步动作。 1.3电机驱动模块方案采用L298N驱动。L298N是一种全桥驱动芯片，它响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，结合单片机可实现对电机速度的精确控制，调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频率的负载冲击，还可以实现频率的无级快速启动、制动和反转。

SVS触摸屏控制系统说明书

SVS（迅控） ——触摸屏可编程控制系统—— 安装使用手册触摸屏可编程多媒体中控系统安装使用手册2003 [09]

绪言感谢您购买和使用SVS(迅控)的产品在使用本机前请细阅这本用户手册以便能正确使用并且请妥善保存这本手册万一有不了解或故障时这本手册会带给您很大的帮助。 ST-6000/8000/9000可编程触摸屏控制系统(Touch Pannel Control System)是最新开发的高科技产品，是继面板控制和计算机控制之后的第三种控制方式既有简单面板所无法达到的灵活性又没有计算机维护成本过高的缺点是理想的升级换代产品。 ST-6000/8000/9000采用了LCD和触摸屏作为显示和控制接口所有界面全部是图形用户界面(GUI)用户只须用手指点选显示的按钮即可完成操作十分直观简便5.7"的可视面积和320X240的点阵解析度使图形显示得十分清晰再加上256 种颜色可以显示更多更细致的图片色彩亮丽由于有了高亮度的背光用户即使在明亮的地方也可以清楚地看到整个画面输入设备触摸屏具有良好的灵敏度使用户的操作流畅自如。此触摸屏控制系统的一个显著特点是用户可编程随机提供了一套桌面电脑软件用于编ST-6000/8000/9000控制器的所有界面通过使用这套软件用户能够可视化地自由定义每一个操作界面设置界面中控件的外观和各种信息代码以及控制界面切换的顺序等这套软件具有即时下载功能即随时可以把编辑好的界面工程下载到ST-6000/8000/9000 控制器上真正实现了所见即所得。此触摸屏控制系统具有红外学习功能可以学习各种遥控器的红外代码储存在闪存中用来替代遥控器控制各种电器 ST-6000/8000/9000的红外学习具载波频率识别功能能够准确地识别各种复杂的红外代码。 ST-6000/8000/9000内置自主开发的实时操作系统运行稳定软件接口丰富。 ST-6000/8000/9000接口灵活适用于各种多媒体中央控制系统控制器上内置了标准RS-232 接口可选RS-485 接口和红外线接受发射端口无线接口能够方便地与计算机外接系统和各种电器进行通信实现实时控制。 ST-6000/8000/9000和中央控制器配套使用它可自动控制投影仪电视机VCD/DVD机、录音机、录像机、电脑、音响、电动屏幕、电动窗帘、灯光等设备使室内的多种电器实现智能一体化控制可广泛应用于会议厅演示厅电教室家居自动化控制及其他控制。

2011年电子设计竞赛_基于自由摆的平板控制系统【龙哥,尧总,portia】

基于自由摆的平板控制系统一、总体方案设计 1.主控系统选择方案一：使用传统51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以实现复杂的算法。方案二：使用FPGA，CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率很高，运算速度很快，但不适合于该题目。方案三：使用基于ARM Cortex-M3内核的EasyARM1138单片机，它有8通道10位ADC，使用方便且低功耗。方案比较：综合比较，选择方案三。 2.角度测量方案一：使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围为±15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。方案二：使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。方案三：使用Angtron-RE-38-V-Lite旋转编码器，角度测量范围为0~360°，根据不同角度，可直接输出不同的电压值，线性度好。方案比较：对于方案一，虽然SCA103T精度较高，但它是基于加速度原理进行测量，使用SCA103T进行倾角检测时，应保证被测设备匀速运动，否则会引进误差，而在自由摆系统中，平板不是匀速运动。虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但较繁琐。对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如22HP-10等，价格较高。对于方案三，使用该旋转编码器，可以直接对输出电压进行AD采样，计算得出角度值，使用方便。综合考虑，选择方案三测量自由摆运动过程中的摆角。 3.电机选择方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适合闭环控制。方案二：使用步进电机作为执行元件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制。方案比较：对于方案一，虽然伺服电机性能良好，但价格较高。对于方案二，步进电机可以通过16细分可以减弱低频振动，控制方便，开环性能良好，可以适用于该设计。综合考虑，选择方案二。 4.松手检测方案一：软件检测，用手推动摆杆至一定角度θ，通过AD采样测得θ，若程序检测到θ开始减小，说明推动摆杆的手已经松开，步进电机可以开始调整平板角度。

倒立摆系统的控制器设计

摘要倒立摆是一种典型的非线性，多变量，强耦合，不稳定系统，许多抽象的控制概念如系统的稳定性、可控性、系统的抗干扰能力等都可以通过倒立摆直观的反应出来；倒立摆的控制思想在实际中如实验、教学、科研中也得到广泛的应用；在火箭飞行姿态的控制、人工智能、机器人站立与行走等领域有广阔的开发和利用前景。因此，对倒立摆系统的研究具有十分重要的理论和实践意义。本文首先将直线倒立摆抽象为简单的模型以便于受力分析进行机理建模，然后通过牛顿力学原理进行分析，得出相应的模型，进行拉氏变化带入相应参数得出摆杆角度和小车位移、摆杆角度和小车加速度、摆杆角度和小车所受外界作用力、小车位移与小车所受外界作用力的传递函数，其中摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为： 02()0.02725()()0.01021250.26705s G s V s s Φ==- ………… (1) 即我们在本次设计中主要分析的系统的传递函数。然后从时域角度着手，分析直线一级倒立摆的开环单位阶跃响应和单位脉冲响应，利用Matlab 中的Simulink 仿真工具进行仿真，得出结论该系统的开环响应是发

散的。最后分别利用根轨迹分析法，频域分析法和PID 控制法对倒立摆系统进行校正。针对目标一：调整时间0.5(2%)s t s =误差带，最大超调量%10%≤p σ，选取参数利用根轨迹法进行校正，得出利用超前校正环节的传递函数为： 135.1547( 5.0887) ()135.1547c s G s s +=+ ………………………… (2) 针对目标二：系统的静态位置误差常数为10；相位裕量为 50 ；增益裕量等于或大于10 分贝。通过频域法得出利用超前校正环节的传递函数为： 1189.6(8.15) ()99.01c s G s s +=+ …………………………… ……………………(3) 针对目标三：调整时间误差带）%2(2s t s =，最大超调量，%15%≤p σ，设计或调整PID 控制器参数，得出调整后的传递函数为： 150()21020c G s s s =++ ………………………………………. .(4)

一阶倒立摆控制系统

一阶直线倒立摆系统姓名：班级：学号：

目录摘要 (3) 第一部分单阶倒立摆系统建模 (4) （一）对象模型 (4) （二）电动机、驱动器及机械传动装置的模型 (6) 第二部分单阶倒立摆系统分析 (7) 第三部分单阶倒立摆系统控制 (11) （一）内环控制器的设计 (11) （二）外环控制器的设计 (14) 第四部分单阶倒立摆系统仿真结果 (16) 系统的simulink仿真 (16)

摘要：该问题源自对于娱乐型”独轮自行车机器人”的控制，实验中对该系统进行系统仿真，通过对该实物模型的理论分析与实物仿真实验研究，有助于实现对独轮自行车机器人的有效控制。控制理论中把此问题归结为“一阶直线倒立摆控制问题”。另外，诸如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制、海上钻井平台的稳定控制、飞机安全着陆控制等均涉及到倒立摆的控制问题。实验中通过检测小车位置与摆杆的摆动角，来适当控制驱动电动机拖动力的大小，控制器由一台工业控制计算机（IPC）完成。实验将借助于“Simulink封装技术——子系统”，在模型验证的基础上，采用双闭环PID控制方案，实现倒立摆位置伺服控制的数字仿真实验。实验过程涉及对系统的建模、对系统的分析以及对系统的控制等步骤，最终得出实验结果。仿真实验结果不仅证明了PID方案对系统平衡控制的有效性，同时也展示了它们的控制品质和特性。第一部分单阶倒立摆系统建模

（一）对象模型由于此问题为”单一刚性铰链、两自由度动力学问题”，因此，依据经典力学的牛顿定律即可满足要求。如图1.1所示，设小车的质量为0m ，倒立摆均匀杆的质量为m ，摆长为2l ，摆的偏角为θ，小车的位移为x ，作用在小车上的水平方向上的力为F ，1O 为摆杆的质心。图1.1 一阶倒立摆的物理模型根据刚体绕定轴转动的动力学微分方程，转动惯量与角加速度乘积等于作用于刚体主动力对该轴力矩的代数和，则 1）摆杆绕其重心的转动方程为 sin cos y x l F J F l θθθ=-&& （1-1） 2）摆杆重心的水平运动可描述为 2 2(sin )x d F m x l dt θ=+ （1-2） 3）摆杆重心在垂直方向上的运动可描述为 2 2(cos )y d F mg m l dt θ-= （1-3） 4）小车水平方向运动可描述为 202x d x F F m dt -= （1-4）

风力摆控制系统设计报告

2015 全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）【本科组】 2015年8月15日

摘要：本设计是基于STM32F103VE单片机为核心的简易风力摆控制系统，该系统由电源供电模块，直流风机及驱动模块、角度检测模块、信息处理模块、继电器及驱动模块、蜂鸣指示模块和液晶显示模块构成。STM32F103VE通过改变PWM占空比来实现对直流风机速度及方向的控制，该风力摆控制系统能够实现题目要求，简单做直线运动、复杂做圆周运动。关键字：风力摆角度传感器单片机自动控制系统一．方案论证： 1.系统结构 1）机械结构如图1所示。一长约67cm的吸管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂4只直流风机，中间安装陀螺仪，构成一风力摆。风力摆下安装一向下的激光笔，静止时，激光笔下端距离地面18cm。图 1 2）测控电路结构测控电路结构如图2所示。编码器按键

图2 2.方案比较与选择其实整体电路架构上图已经给定，主要是几个关键部分————直流风机选型及架构、直流风机驱动电路、传感器、主控芯片选择，我们分析如下： 1）直流风机的选型方案一：采样大电流成品直流风机，虽然风力够大，但驱动多个风机所需电流过大，单个电源难以满足要求，而且比较重，多个电机使得惯性过大难以控制。鉴于以上两点，弃用。方案二：采用小型高速电机加螺旋桨自制直流风机，风力大，体积小，质量轻，而且性价比高。风力摆控制系统风机质量轻，减小惯性，容易起摆；风力大，风速控制范围大，摆动角度大；体积小，减少外部的干扰；鉴于以上几点，本设计采用方案二。 STM32微处理器角度传感器直流风机电机驱动电路风机供电 OLED 液晶显示蜂鸣器

基于自由摆的平板控制系统(最终),2011年全国大学生电子设计竞赛

2011年全国大学生电子设计竞赛基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】 2011年9月3日

摘要采用ATmage16 avr单片机作为主控芯片的基于自由摆的平板控制系统。利用高精度的电位器和单片机的片内模数转换器测量自由摆的摆动角度。ULN2003N 达林顿阵列驱动，1/16倍速的减速步进电机控制平板的转动。能够实现根据摆杆角度平板转动相应角度、摆杆摆动一周期平板转动一圈、控制平板使得摆杆摆动时平板上的硬币不滑落、平板上的激光笔在摆杆摆动一定角度后照射到靶子中心线等要求。关键词：自由摆 AVR单片机电位器减速步进电机

目录 1系统方案 (1) 1.1中央处理器的论证与选择 (1) 1.2电机驱动模块的论证与选择 (1) 1.3摆杆角度测量模块的论证与选择 (2) 2系统理论分析与计算 (2) 2.1系统理论的分析 (2) 2.1.1 摆杆旋转角度的获取 (2) 2.1.2 平板旋转角度的控制 (3) 2.1.3 步进电机转动控制 (4) 2.2摆杆斜角度的计算 (4) 2.3步进电机的计算 (4) 2.3.1 摆杆摆动三周电机的转动 (4) 2.3.2摆动摆杆通过电机控制平板使硬币不从平板上掉落 (4) 2.3.3摆杆固定时控制激光笔 (4) 2.3.4摆杆摆动时电机控制激光笔 (4) 3电路与程序设计 (5) 3.1电路的设计 (5) 3.1.1系统总体框图 (5) 3.1.2 摆杆角度检测子系统框图与电路原理图 (5) 3.1.3步进电机驱动子系统电路原理图 (6) 3.1.4电源 (6) 3.2程序的设计 (7) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (7) 3.2.2程序流程图 (7) 4测试方案与测试结果 (9) 4.1测试方案 (9) 4.2测试方式与仪器 (9) 4.3测试结果及分析 (9) 4.3.1测试结果(数据) (9) 4.3.2测试分析与结论 (10) 附录1：电路原理图 (11) 附录2：完整测试数据 (12) 附录3：源程序 (13)

控制系统课程设计---直线一级倒立摆控制器设计

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计说明书（论文）课程名称：控制系统设计课程设计设计题目：直线一级倒立摆控制器设计院系：班级：设计者：学号：指导教师：罗晶周乃馨设计时间：2013.9.2——2013.9.13

哈尔滨工业大学课程设计任务书姓名：院（系）：英才学院专业：班号：任务起至日期：2013 年9 月 2 日至2013 年9 月13 日课程设计题目：直线一级倒立摆控制器设计已知技术参数和设计要求：本课程设计的被控对象采用固高公司的直线一级倒立摆系统GIP-100-L。系统内部各相关参数为： M小车质量0.5 Kg ；m摆杆质量0.2 Kg ；b小车摩擦系数0.1 N/m/sec ；l摆杆转动轴心到杆质心的长度0.3 m ；I摆杆惯量0.006 kg*m*m ；T采样时间0.005 秒。设计要求： 1．推导出系统的传递函数和状态空间方程。用Matlab 进行阶跃输入仿真，验证系统的稳定性。 2．设计PID控制器，使得当在小车上施加0.1N的脉冲信号时，闭环系统的响应指标为：（1）稳定时间小于5秒；

（2）稳态时摆杆与垂直方向的夹角变化小于0.1 弧度。 3．设计状态空间极点配置控制器，使得当在小车上施加0.2m的阶跃信号时，闭环系统的响应指标为：（1）摆杆角度θ和小车位移x的稳定时间小于3秒（2）x的上升时间小于1秒（3）θ的超调量小于20度（0.35弧度）（4）稳态误差小于2%。工作量： 1. 建立直线一级倒立摆的线性化数学模型； 2. 倒立摆系统的PID控制器设计、MATLAB仿真及实物调试； 3. 倒立摆系统的极点配置控制器设计、MATLAB仿真及实物调试。

风力摆控制系统论文

风力摆控制系统摘要：本系统采用STM32F103ZET6单片机作为控制核心，通过对置于风力摆上的MPU9150陀螺仪采集的角度进行处理得到角度与风力摆位置的关系，再通过驱动输出PWM波控制轴流风机，使风力摆到达指定的位置，做规定的圆周运动。本系统通过PID调试，测试表明，各项功能已达到或超过本题目要求。关键词：MPU9150；PID；轴流风机

1.系统方案本系统主要由主控制器，陀螺仪，电机驱动模块，轴流风机，激光笔组成，下面分别对这几个模块进行选择与论证。 1.1陀螺仪的选择方案一：MPU6050。 9轴运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字数字运动处理器DMP，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。但零飘较严重。方案二：角度传感器。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0。角度传感器一般测静态的角度，倾角用加速度计。明显在本系统中角度传感器不如陀螺仪方便使用。方案三：MPU9150。MPU-9150 是采用系统级封装 (SiP)，集合了两个芯片：MPU-6050 和 3 轴数字罗盘 AK8975，其中 MPU-6050 包含 3 轴陀螺仪、3 轴加速计以及能够处理复杂 9 轴 MotionFusion 算法的板载Digital Motion Processor? (DMP?) 。这款元件集成 9 轴 MotionFusion 算法，能够访问所有内部传感器，以收集全套传感器数据。MPU9150测转角的速度的，可以积分得到转的角度，动态性能好，静态差，零飘基本无，很适合本系统。综合考虑后决定采用方案三。 1.2轴流风机的选择方案一：四线可测速、包含温控PWM调速轴流风机。此种轴流风机一般重量较大，启动时间长，虽然风量大但明显不适合本系统的实时检测调整的思路。方案二：三线可测速轴流风机。此种轴流风机重量较轻，启动时间短，直接接驱动即可对其进行控速，风量也很大，比较符合题目各项要求的时间限制。综合考虑后决定采用方案二。

基于自由摆的平板控制系统设计报告

基于自由摆的平板控制系统设计报告摘要基于自由摆的平板系统设计是设计基于STC12C5A6S2为核心的控制系统,采用电位器作为角度传感器采集自由摆倾角的信息,采用步进电机作为调整平板，当摆角变化时，电位器传给单片机内部AD一个电压值，单片机通过内部计算，得出角度值，通过角度值，计算出相应指令给传给L298N控制步进电机运转来调整平板，实现平板控制系统与摆杆的协调。

一、系统设计 1.1设计要求 a.控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（3~5 周），摆杆摆一个周期，平板旋转一周（360o），偏差绝对值不大于45°。 b.在平板上粘贴一张画有一组间距为1cm 平行线的打印纸。用手推动摆杆至一个角度θ（θ在30o～45o间），调整平板角度，在平板中心稳定放置一枚1 元硬币（人民币）；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态，使硬币在5 个摆动周期中不从平板上滑落，并尽量少滑离平板的中心位置。 c.用手推动摆杆至一个角度θ（θ在45o～60o间），调整平板角度，在平板中心稳定叠放8 枚1 元硬币，见图2；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的5 个摆动周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态。根据平板上非保持叠放状态及滑落的硬币数计算成绩。 d.如图3 所示，在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm 距离处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。用手推动摆杆至一个角度θ（θ在30o～60o间），启动后，系统应在15 秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏差绝对值＜1cm），完成时以LED 指示。根据光斑偏离中心线的距离计算成绩，超时则视为失败。

单级倒立摆经典控制系统

单级倒立摆经典控制系统摘要：倒立摆控制系统虽然作为热门研究课题之一，但见于资料上的大多采用现代控制方法，本课题的目的就是要用经典的方法对单级倒立摆设计控制器进行探索。本文以经典控制理论为基础，建立小车倒立摆系统的数学模型，使用PID控制法设计出确定参数(摆长和摆杆质量)下的控制器使系统稳定，并利用MATLAB软件进行仿真。关键词：单级倒立摆；经典控制；数学模型；PID控制器；MATLAB 1绪论自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。控制理论在几十年中，迅速经历了从经典理论到现代理论再到智能控制理论的阶段，并有众多的分支和研究发展方向。 1.1经典控制理论控制理论的发展，起于“经典控制理论”。早期最有代表性的自动控制系统是18世纪的蒸汽机调速器。20世纪前，主要集中在温度、压力、液位、转速等控制。20世纪起，应用范围扩大到电压、电流的反馈控制，频率调节，锅炉控制，电机转速控制等。二战期间，为设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统及其他基于反馈原理的军用装备，促进了自动控制理论的发展。

至二战结束时，经典控制理论形成以传递函数为基础的理论体系，主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析问题。经典控制理论的研究对象是线性单输入单输出系统，用常系数微分方程来描述。它包含利用各种曲线图的频率响应法和利用拉普拉斯变换求解微分方程的时域分析法。这些方法现在仍是人们学习控制理论的入门之道。 1.2倒立摆 1.2.1倒立摆的概念图1 一级倒立摆装置倒立摆是处于倒置不稳定状态，人为控制使其处于动态平衡的一种摆。如杂技演员顶杆的物理机制可简化为一级倒立摆系统，是一个复杂、多变量、存在严重非线性、非自治不稳定系统。

探析触摸屏的功能及应用

探析触摸屏的功能及应用【摘要】本文介绍了触摸屏在工业控制领域的应用与plc在应用过程中的相关问题，最后对触摸屏画面的设计进行介绍。【关键词】触摸屏；plc；画面设计；闭环控制触摸屏是一种新型可编程控制终端，是新一代高科技人机界面产品，适用于现场控制，可靠性高，编程简单，使用维护方便。plc 有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点。触摸屏结合plc在闭环控制的变频节能系统中的应用是一种自动控制的趋势。触摸屏和plc在闭环控制的变频节能系统中的使用，可以让操作者在触摸屏中直接设定目标值（压力及温度等），通过plc与实际值（传感器的测量值）进行比较运算，直接向变频节能系统发出运算指令（模拟信号），调节变频器的输出频率。一、闭环控制的变频节能系统的用途闭环控制的变频节能系统用途很广，各种场合的变频节能系统的拖动方式及控制方式各有不同，具体应用时应根据实际情况选择设计。下面列举一些：中央空调节能：冷冻泵、冷却泵、主机、却塔风机、风机盘管等。恒压供水：水厂一、二级泵，供水管网增压泵、大厦供水水泵等。锅炉：引风机、送风机、给水泵等，变频节能系统的控制调节预处理信号由锅炉自动控制系统、dcs或多冲量控制系统给出。

二、整个闭环控制的变频节能系统的组成设备及其作用（1）plc选用siemens公司的s7-200系列。由cpu224xp、di/do 模块、ai/ao模块组成。plc作为控制单元，是整个系统的控制核心。其主要的作用要体现以下几方面：一是完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换。二是完成对整个系统的逻辑控制及pid调节的运算。三是向触摸屏提供所采集及处理的数据，并执行触摸屏发出的各种指令。四是将pid运算的数据结果转换成模拟信号，作为调节变频器的输出频率的控制信号。五是通过通信电缆及uss4协议完成对变频器内部参数读写及控制。（2）触摸屏采用 siemens公司mp370。其主要作用如下：一是可实时显示设备和系统的运行状态。二是通过触摸向plc发出指令和数据，再通过plc 完成对系统或设备的控制。三是可做成多幅多种监控画面，替代了传统的电气操作盘及显示记录仪表等，且功能更加强大。（3）变频器。采用siemens公司440系列，通过uss4协议可由触摸屏通过plc设置其内部的部分参数，根据plc发送过来的数据（模拟量）值调节水泵或风机的转速，并将其内部运行参数反馈到plc。（4）压力、温度等传感器。将被控制系统（水系统或风系统）的实际参数值转变成电信号上传至plc。（5）电气元件。给plc、触摸屏、变频器及传感器等供电，完成各种操作及驱动等。三、触摸屏画面设计

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