旋转倒立摆设计方案

旋转倒立摆设计方案器件：角度测量使用绝对式编码器（HN3806A5V1024）电机采用（maxonDCmotor118752RE25）电机驱动采用L298N，可以承受24V的电压，驱动能力强。主控为STM32F103其中硬件搭建要注意稳定性，电机的瞬间扭力很大，如果底座不稳定的话会给接下来的软件调试带来很大的麻烦。系统框图程序设计思想：绝对式编码器不断的读取摆杆实时的角度值，单片机将采集到的角度值与之前预设的值的差经过PID算法，输出一个矫正值，不同矫正值对应这不同的PWM占空比，矫正值的符号与电机的转向相同。经过这一闭环调节，可以实现摆杆直立。PID调试经验总结：本次设计核心部分为PID算法，PID的程序是固定的，但是三个参数的不同搭配，会产生各种各样的变化。因此当PID算法的三个参数选择合适，可以实现理想的效果，我们最后做的效果可以达到摆杆一直不倒，用手轻触，在力不大的情况下可以实现抗干扰，但是由于电机驱动能力等问题，并不能在力较大的情况下实现抗干扰。P（比例）调节作用，P是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减小偏差。比例作用大，可以加快调节，减小误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。I（积分）调节作用，I是系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无差，几分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加大积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。D（微分）调节作用，微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能遇见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已经被微分调节作用消除，因此微分调节可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰能力不利，除此之外，微分反应的是变化率，而当没有变化时，微分作用输出为0。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合。由于PID三个参数协同作用又相互干扰，因此最困难的一步就是参数的整定，在试验中我们先用Matlab做了PID的控制数据模型，先任意给一组数据（三个参数都给），观察曲线的收敛发散情况。然后从P开始每次步进减少或增加，看效果，然后再调节I，最后是D，在调节的过程中借助串口，将角度值发送到电脑端，用Matlab画出曲线，然后与理论进行比较，不断尝试。在实验中发现I越大，调节频率越快，抖动越厉害，但是杆稳定。整定曲线：实物图：