設(shè)計(jì)應(yīng)用《.簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院曾敬滕軍陸曉燕[摘要]本設(shè)計(jì)以STC89S52單片機(jī)為控制核心，通過(guò)角度傳感器得到系統(tǒng)變量，利用PWM分別對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與速度進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)倒立擺在一定的角度范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)控制。[關(guān)鍵詞]倒立擺;角度傳感器; STC89S52倒立擺系統(tǒng)是一-個(gè)典型的單輸入多輸出、感器檢測(cè)到的擺桿位置，做出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)雜的、非線性的不穩(wěn)定系統(tǒng)。它在軍事、航的調(diào)節(jié)，從而使擺桿達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)。系統(tǒng)的、機(jī)器人和各類(lèi)工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的用srce9s52。電機(jī)驅(qū)動(dòng)主程序流程如圖3所示。四、測(cè)試結(jié)果的工程意義。本設(shè)計(jì)是基于AT89S52的單片機(jī)本系統(tǒng)從以下三個(gè)方面對(duì)倒立擺進(jìn)行了測(cè)簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)。其主要構(gòu)造包括旋編碼培測(cè)角度+臂、擺桿、直流電機(jī)等裝置。其中直流電機(jī)為圖2電路設(shè)計(jì)總體框圖1.擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)(擺角0°)開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可由專(zhuān)門(mén)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片如L298N始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺L 開(kāi)始驅(qū)動(dòng)。根據(jù)-定的算法計(jì)算將信號(hào)提供給驅(qū)動(dòng)動(dòng)，并盡快使擺角達(dá)到或超過(guò)60°~ +60*;芯片，以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)旋臂旋系院物始化2. 從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，盡快增轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)控制倒立擺運(yùn)動(dòng)的效果。被晶顯示大擺桿的擺動(dòng)幅度，真至完成圓周運(yùn)動(dòng): 8。I、倒立接算法分析擺桿至接近165"位置，外力撤除同時(shí)，啟動(dòng)控.鍵盤(pán)輸入模糊控制。所謂模糊控制。就是在控制方法上制施車(chē)壁體理?xiàng)U保持倒?fàn)钐珪r(shí)間不小平5S.應(yīng)用模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯「 噴式選擇推理的知識(shí)來(lái)模擬人的模糊思維方法,用計(jì)算EYs測(cè)試結(jié)果如表1所示機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者相同的控制。該理論以模糊電機(jī)減速撐臂>80度1「團(tuán)周運(yùn)動(dòng)1測(cè)試結(jié)果如表1倒立擺測(cè)試表集合、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯為基礎(chǔ),用比測(cè)試項(xiàng)且測(cè)試要求測(cè)試結(jié)果口較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式直接將人的判斷、思維過(guò)擺桿擺動(dòng)角度在-60°~+60完成，可擺動(dòng)程表達(dá)出來(lái)。本設(shè)計(jì)中涉及的狀態(tài)變量共有圖3主程序流程圖擺桿旋轉(zhuǎn)角度圓周運(yùn)動(dòng)兩個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)4個(gè)，每個(gè)變量的論域作7個(gè)模糊集的模糊劃三、系統(tǒng)軟件流程分，這樣，完備的推理規(guī)則庫(kù)會(huì)包含7=2401由于系統(tǒng)使用的是直流減速電機(jī)，所以「 保持倒立時(shí)間不少于個(gè)推理規(guī)則，但如此多的規(guī)則是很難實(shí)現(xiàn)控制方法相對(duì)較為簡(jiǎn)單，只需給電機(jī)的控制擺桿接近165°5s， 旋轉(zhuǎn)臂角度不大10次測(cè)試，完時(shí)保持倒立時(shí)間成了7次。的，而二維模糊控制器的控制性能較好，所線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，電壓于90° .以一般選擇增量算法作為模糊控制器的輸出越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。對(duì)于直流電機(jī)的速度五、結(jié)論變量，模糊控制基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)節(jié)，可以采用PWM調(diào)速方法?？刂齐姍C(jī)的時(shí)倒立擺是一個(gè)很好的控制實(shí)驗(yàn)裝置，由候，電源并非連續(xù)的向電源供電，而是在一于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、對(duì)于控制效果檢驗(yàn)特定的頻率下以方波脈沖的形式提供電能。能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在控制方法的實(shí)驗(yàn)和研究上有同占空比的方波能對(duì)電機(jī)起到調(diào)速作用。這是很 重要的地位。設(shè)計(jì)者可以利用所學(xué)的控制理因?yàn)殡姍C(jī)實(shí)際上是一個(gè)大電感，它有阻礙輸入論，自行設(shè)計(jì)多種控制算法，并在本該系統(tǒng).上電流和電壓突變的能力。因此，脈沖輸入信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。 本系統(tǒng)具有制作方法簡(jiǎn)單，系統(tǒng)操圖1模糊控制的基本結(jié)構(gòu)被平均分配到作用時(shí)間上，這樣，改變?cè)谑寄茏骺刂品?便，擺桿倒立持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，基二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖端輸入方波的占空比就能改變加在電機(jī)兩端本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)主要由主控模塊、角度傳感器模的電壓大小， 從而改變了轉(zhuǎn)速。用軟件方式塊、機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以通過(guò)執(zhí)行軟件延時(shí)循環(huán)程序交替參考文獻(xiàn)等幾部分組成。為了讓擺桿有更大的慣性，帶改變端 口某個(gè)二進(jìn)制位輸出邏輯狀態(tài)以產(chǎn)生脈(川何為民 低功耗單片微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京:北京航空動(dòng)擺桿旋轉(zhuǎn)更大的角度，在設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)定寬調(diào)制信號(hào)。設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間會(huì)得到不同航天 大學(xué)出版社194.電機(jī)正反轉(zhuǎn)存在一定的角度差。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的 占空比。角度傳感器在系統(tǒng)中的主要作用是[21胡大可,李培泓,張路平, 基于單片機(jī)8051的嵌入式開(kāi)差一般設(shè)定在30°以內(nèi)，如果角度差太大，會(huì)迫用來(lái) 檢測(cè)角度的。軸每轉(zhuǎn)過(guò)1/16圈， 角度傳感發(fā) 指南M.北京:電子工業(yè)出版社.2003使還處于上一個(gè)慣性狀態(tài)的擺桿改變狀態(tài)，這器就會(huì)計(jì)數(shù)一-次。 往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)增[31張振榮,晉明武,王毅 平.MCS-51單片機(jī)原理及實(shí)用技樣將不能實(shí)現(xiàn)增大慣性作用，反而使擺桿擺動(dòng)加， 轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，計(jì)數(shù)減少。計(jì)數(shù)與角度[用黃智偉,全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)竟賽電路設(shè)計(jì)[M).北京:角度變小。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)到360°， 且傳感 器的初始位置有關(guān)。當(dāng)初始化角度傳感器[4黃智 偉,全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì):倒立時(shí)，采用角度傳感器檢測(cè)擺桿擺動(dòng)萬(wàn)位，[5]劉寶延步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]哈爾濱:哈爾操桿倒立。在整個(gè)該過(guò)程中，為了確保由動(dòng)機(jī)流程包括對(duì)AT89S52的初始化設(shè)置、角度傳成濱工業(yè)大學(xué)出版社,1972.在調(diào)整速度的同時(shí)維持系統(tǒng)穩(wěn)定，主控芯片會(huì)器TCL2543的初始化設(shè)置、液晶顯示初始化設(shè)[6周航慈 單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:北京航空通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出脈沖指令，控制電動(dòng)機(jī)作相置，按鍵設(shè)置，定時(shí)器初始化設(shè)置，占空比調(diào)航天大學(xué)出版社,1991.應(yīng)的微調(diào)，從而完成動(dòng)作。本系統(tǒng)主要通過(guò)節(jié)等。程序的核心算法是基于PID的閉環(huán)控制，[7]郁有 文.傳感器原理及工程應(yīng)用[M.西安:西安電子科AT89S52單片機(jī)來(lái)控制電路的輸出，使用模糊PID控制器參數(shù)的整定步驟如下: (1)首 先預(yù)選技大學(xué)出版2008.控制算法，實(shí)現(xiàn)按鍵控制、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、倒立擺一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作: (2)僅加[8宋戈.51單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)范例大全[M.北京人民郵電旋轉(zhuǎn)、液晶顯示等功能。角度傳感器模塊在系入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出出版社2010.統(tǒng)中的作用是檢測(cè)擺桿與水平面的夾角，進(jìn)而現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界將數(shù)據(jù)反饋給主控芯片，主控芯片以此來(lái)發(fā)出.振蕩周期; (3) 在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)作者簡(jiǎn)介:曾敬(1982-) ，四川遂寧人，研究方控制指令。電路設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示。算得到PID控制器的參數(shù)。系統(tǒng)再根據(jù)角度傳向:通訊與信息技術(shù)。廣泛的應(yīng)用前景。本文以某大客車(chē)車(chē)身的初步設(shè)計(jì)提供了一種可行的分析方法，不失為一-種(3)周偉,宋 學(xué)偉.客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)].客車(chē)技設(shè)計(jì)和總布置為依據(jù)，以CAD等軟件為平臺(tái)，有效的方法。術(shù)與研究,2012()9-10.建立了客車(chē)車(chē)身拓?fù)鋬?yōu)化模型。根據(jù)汽車(chē)車(chē)身[4]ROSSOW M P,TALORJ E. A finite element method結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，參照拓?fù)鋬?yōu)化準(zhǔn)則法，提出客車(chē)參考文獻(xiàn)for the optimal design of variable thickness sheetsU].AIAA車(chē)身的優(yōu)化流程，包括拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸、形狀[1]李學(xué)修,黃虎,劉長(zhǎng)虹.拓?fù)鋬?yōu)化方法在輕卡車(chē) 身結(jié)方法。經(jīng)有限元分析，優(yōu)化的結(jié)果均滿足實(shí)際改進(jìn)中的應(yīng)用小.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)207270);11中國(guó)煤化工需要。利用優(yōu)化算法縮短了客車(chē)車(chē)身開(kāi)發(fā)的時(shí)TYHCNMHG四川綿陽(yáng)人，大學(xué)本間，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，并設(shè)計(jì)出了較為合理的車(chē)身(21張葒蔚,顧 力強(qiáng).基于有限元分析技術(shù)的大客車(chē)車(chē)開(kāi)究方向: CAD結(jié)構(gòu)設(shè)結(jié)構(gòu)，為工程師的進(jìn)--步設(shè)計(jì)提供了新的思路門(mén)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究D.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2002,18計(jì)與優(yōu)化。和可靠的依據(jù)。拓?fù)鋬?yōu)化分析方法為車(chē)身結(jié)構(gòu)():46-47.電子世界-159-