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简易旋转倒立摆及控制装置摘要倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。本设计采用普通直流减速电机制作了一个简易旋转倒立摆控制系统，用WDD35D电位器采集摆杆摆动过程中的角度数据，反馈给微控制器stm32，由微控制器经PID控制算法处理后输出PWM波（脉冲），驱动直流减速电机正反转，从而带动摆杆摆动。系统主要由摆架框架、传感器部分、主控板、直流减速电机及驱动四个部分组成。本设计基本能实现倒立并且倒立时间不低于10S，并且具有一定的抗干扰能力。关键词：直流减速电机，stm32，WDD35D电位器，PID控制算法1系统方案1.1设计任务设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一段，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。图1旋转倒立摆结构示意图1.2设计要求定义摆杆自由下垂状态时的摆动角为0°。外力拉起摆杆至接近180°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于10s；期间旋转臂的动角度不大于90°，越小越好。1.3实现方法本题要求设计并制作一个简易旋转倒立摆及控制系统，在摆臂在倒立的时候，通过电机的左右摆动，实现摆臂基本静止在倒立状态。我们想利用直流减速电机作为驱动带动旋转臂旋转，通过塑料导电旋转电位器测量摆杆摆过的角度。该系统主要由以下三大部分组成，①摆架框架：包括支撑底座、旋转臂、摆杆等组成；②检测系统：旋转电位器在不同角度下电阻分压不一样，单片机通过AD采样后计算出偏转角度；③控制驱动系统：控制器通过对传感器输出信号的分析发出控制信号，经电机驱动器控制电机的转动，带动摆杆转动，实现各功能。2、方案比较与选择1）主控芯片的比较与选择方案一：采用入门级51或者AVR、PIC等流行已久的8位MCU作主控。价格低廉，资料众多。功能有限，计算能力有限。方案二：采用ARM系列的STM32简易旋转倒立摆系统要求处理器具有足够的内存、闪存，快速的信号采集能力，因此我们选用手头现有的STM32开发板，集成仿真器，方便软件仿真调试，板上为STM32F103RCT6单片机，该单片机运算速度快，性价比高。2）角度检测模块角度检测模块也是系统的重要组成部分，我们需要利用角度传感器来测量摆杆摆过的角度，该数据要传送给Stm32控制器，经计算确定步进电机的下一个状态，因此要求角度传感器精度高，频率快。方案一：采用E6A2—CW3C编码器，该编码器的转轴可随摆杆转动，并且输出脉冲，转轴每转一圈编码器输出500个脉冲，由此可实时测得摆杆转过的角度。方案二：采用角速度传感器ENC03，该传感器轻盈灵便，其输出由X、Y、Z输出，角度和加速度输出五个输出端口，通过多种端口都可以输出角度对应的采样值，但该采样值在一定范围内是跳动不定的，会对系统产生影响，不利于摆杆的稳定。方案三：采用WDD35D系列角位移传感器，其功能在于把角度机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻基体定置在传感器的固定部位，通过电刷在电阻基体上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，电刷和输出端之间的电压，与电刷在电阻基体上滑过的角度成线性关系。将传感器用作分压器可最大限度降低对电阻基体总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。在满足设计要求的前提下，考虑到稳定性等因素,我们选择了方案三。2）电机的比较与选择方案一：采用直流伺服电机作为执行元件。优良的调速特性，调速平滑、方便、调整方位宽；过载能力强，。直流伺服电机工作在闭环状态时相对于开环状态要增加很多检测元件，使电路复杂，最重要的是直流伺服电机价格昂贵，成本太高。方案二：采用步进电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现旋转臂前进距离和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于对速度有一定要求的倒立摆系统。经综合比较分析我们决定放弃此方案。方案三：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。综上所述，选择方案三。3）电机驱动模块的论证与选择方案一：采用功率管组成Ｈ桥型电机驱动电路，并利用PWM波来实现对输出电压的有效值大小和极性进行控制。这种调速方式具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，能耗小等优点，还可以实现频繁的无级快速启动和反转等优点。方案二：采用L298N驱动。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，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，稳定性好，性能优良，且由L298N结合单片机可实现对旋转臂的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用L298N控制直流电机，即采用方案二。4）控制算法方案一：PID算法PID算法是在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象一阶滞后+纯滞后与二阶滞后+纯滞后的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD），其模型如图所示。(1)比例调节P比例系数Kp的大小决定了比例调节器调节的快慢程度，但Kp过大会使控制系统出现超调或振荡现象Kp过小又起不到调节作用比例控制无法消除余差。(2)积分调节I积分作用可消除余差，积分常数Ti的大小决定了积分作用强弱程度，积分作用通常使系统的稳定性下降。因此，积分常数Ti大小的选择要得当。(3)微分调节D当偏差e瞬间波动过快时，微分调节器会立即产生响应，来抑制偏差的变化，使系统更趋于稳定，改善了系统的动态性能。图二：PID算法原理图方案二：LQR算法LQR(linearquadraticregulator)即线性二次型调节器,其对象是现代控制理论中以状态空间形式给出的线性系统,而目标函数为对象状态和控制输入的二次型函数。LQR最优设计是指设计出的状态反馈控制器K要使二次型目标函数J取最小值,而K由权矩阵Q与R唯一决定,故此Q、R的选择尤为重要。LQR理论是现代控制理论中发展最早也最为成熟的一种状态空间设计法。特别可贵的是,LQR可得到状态线性反馈的最优控制规律,易于构成闭环最优控制。而且MATLAB的应用为LQR理论仿真提供了条件,更为我们实现稳、准、快的控制目标提供了方便。基于上述理论分析，我们选择方案一。系统框图STM32单片机控制电路直流稳压电路WDD35D旋转电位器AD转换L298N驱动电路直流减速电机5测试方案与测试结果5.1测试仪器量角器（精度1°），秒表，直尺5.2测试方案按照题目要求，测试功能。5.2.1基本要求：定义摆杆自由下垂状态时的摆动角为0°。外力拉起摆杆至接近180°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于10s；期间旋转臂的动角度不大于90°，越小越好。测试方案：从摆杆处于倒立状态开始，启动系统驱动电机带动旋转臂往复旋转，将量角器置于摆杆后面。摆杆随旋转臂摆动，测量每次旋转臂转动角度，摆杆转动角度以及倒立保持时间。测量5次填入下表。旋臂摆动角度/°摆杆摆动角/°倒立保持时间/s12345