旋转倒立摆论文.doc

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日摘要本设计采用了8位低功耗ATmega16为控制核心,采用高精度电位器通过单片机AD采样实时采集摆杆旋转角度及角度变化率,利用直流减速电机实现对摆杆的控制。根据旋转倒立摆的数学模型分析,采用增量式积分分离PID控制算法来优化各个控制参数。经过反复测试后,证明系统基本完全实现了题目的所有要求。此外系统还增加了按键选择开关来进行模式的选择和参数的调整。关键词:ATmega16高精度电位器PID算法直流减速电机AbstractThisdesignusestherightlow-powerARmega16asthecontrolcore,usinghighprecisionpotentiometerbyMCUADsamplingreal-timeacquisitionswingingrodrotationAnglerateandAngle,,,:ATmega16,high precision potentiometer,PIDcontrolalgorithms,DC gear motor目录一、系统方案 3二、系统理论分析与计算 7三、电路与程序设计 10四、测试方案与测试结果分析 14五、参考文献 15附录1:电路原理图 16简易旋转倒立摆及控制装置(C题)【本科组】一、系统方案根据题目要求,系统要求要实现对摆杆角度的控制,并要保证运动控制的实时性和平稳性。我们的设计结构如图1所示,其中主要包括主控、摆杆角度和角度变化率检测、旋臂控制等模块,通过按键选择模式及参数的调整。:采用加速度传感器模拟量输出,需要放大电路及A/D完成角度的测量。在传输回路中模拟信号易受干扰,测量结果容易受动态是的加速度量影响而产生误差,通过数字滤波等技术虽然能够在一定程度上消除干扰造成的误差,但是,滤波运算增加了CPU的负荷。方案二:采用电位器作为角度传感器摆杆的角度测量也可以采用可变电阻器。精密的可变电阻器具有易获得、价格低廉、重复性高、分辨率高、高频响应特性好、易使用等特点。可以通过单片机自带的AD采样来采回摆杆的角度信息。方案三:采用增量式光电旋转编码器光电编码器是一种角度监测装置,它将输入给轴的角度量,利用光电转换原理转换成相应的电脉冲。旋转编码器具有体积小,精度高,工作可靠,接口数字化等优点。此外旋转编码器安装较为方便接口电路较为简单,能够减少系统硬件电路的工作量。但是由于编码器受外界因素的影响较大容易产生累计误差,故不采用。综合以上三种方案,选择方案二。:采用51单片机,运用比较广泛,具有良好的知识作为基础,上手很快。但是本系统的程序量较大,而且对程序的实时性要求较高,需要较高的处理速度,同时需要的I/O口和资源较多,51单片机难以胜任。方案二:采用ATmega16作为控制芯片。AVR系列单片机吸收PIC及8051单片机的优点,而且ATmega16片上具有10位转换精度的A/D转换器,所以设计采用ATmega16实现。综合考虑采用方案