旋转倒立摆论文.docx

旋转倒立摆论文.docx2013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日木设计采用了8位低功耗ATmegalG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控制算法來优化各个控制参数。经过反复测试后,证明系统基木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:ATmegal6高精度电位器PID算法直流减速电机AbstractThisdesignusestherightlow-powerARmegal6asthecontrolcore,usinghighprecisionpotentiometerbyMCUADsamplingreal-timeacquisitionswingingrodrotationAnglerateandAngle,,,:ATmegal6,highprecisionpotentiometer,PIDcontrolalgorithms,DCgearmotor一、 系统方案 12单片机控制模块的论证与选择 24电源模块的论证与选择 3二、 系统理论分析与计算 52旋转摆系统的控制目标 63旋转倒立摆控制的实现 7三、 电路与程序设计 71电路的设计 92程序的设计 10四、 测试方案与测试结果分析 121测试方案 •仪器 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,系统耍求耍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,其屮主要包括主控、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岀,需要放人电路及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:采用增量式光屯旋转编码器光屯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,能够减少系统硕件电路的工作量。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,具冇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耍求较高,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。方案二釆用ATmegal6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ATmegal6片上具有10位转换精度的A/D转换器,所以设计采用ATmegal6实现。综合考虑采用方案二。:采用步进屯机控制旋臂的运动,步进电机没冇转轴