简易旋转倒立摆及控制装置（C题）电赛论文.pdf

摘要本系统采用K60单片机主控制器，结合模数转换原理、直流电机控制技术、PID算法和自动控制原理，实现通过摆臂旋转使摆杆完成倒立动作并保持一定 时间，以及在摆杆倒立的状态下做圆周运动旋转一周。在系统设计过程中，力 求硬件电路简单，降低系统成本，节约功耗。关键字：旋转、倒立摆、PID算法1目录摘要-11.方案论证与比较-31.1系统基本方案-31.2各模块方案选择及论证-31.2.1角度传感器选择方案-31.2.2电机选择方案-42.硬件电路设计-53.软件设计-63.1系统的主控制流程图-63.2 A/D 采样-63.3 PID 算法-73.4 电机旋转状态监测-94.系统测试-5.结论-6.参考文献-2简易旋转倒立摆及控制装置（C题）本科组1.方案论证与比较1.1 系统基本方案1.1.1 控制方案设计为实现本题要求我们采用了 K60单片机控制，用角度传感器WDD35D-4来检 测计算角度和电机状态，用直流电机来带动旋转臂。当角度传感器（1）检测到 摆杆的角度在165195之间时，单片机会控制电机的电压来控制转速与方向,持续保持摆杆的倒立状态。当摆杆处于自然下垂状态时，给电机上电，使电机 旋转使得摆杆摆动，单片机进行A/D采样，同时控制电机转速与方向，尽快使 得摆杆处于倒立状态。当摆杆处于倒立状态后，驱动电机旋转，同时单片机进 行A/D采样，在保持摆杆垂直道理的状态下做圆周运动旋转360 o角度传感 器（1）控制系统框图如图1所示。-单 角度传感器=片=-机|电机|图1控制系统框图1.1.2 机械结构方案设计如果电机和机架之间的固定不好，当电机在转动的过程中转速过高，会使 整个结构出现抖动的现象，于是采用H型结构将电机与支架紧固，还能防止电 机从支架掉落。3在使摆杆摆起的过程中，由于电机的转动，与角度传感器（1）相连的导线 容易缠死电机，于是设置支架将导线从整个结构上方引出。当导线固定后，电 机转动时导线会拧劲，所以，导线应放松，支架横杆应选用有弹性的材料，例 如塑料。当摆杆处于倒立状态，程序中无法追随中值，会出现连续加速旋转现 象，而且单片机对于这种状态也无法检测，所以设置角度传感器（2）来检测这 种状态。对于角度传感器（2）的固定，由于我们装置的外壳机架是铁质的，而 且摆臂与机架的高度与电机转轴长度有关，所以选用齿轮结构来连接电机与角 度传感器（2）。机械结构如图2 o1底座；2外壳机架；3 H型结构；4电机；5摆杆；6摆臂；7角度传感器（1）；8支架；9引线；10齿轮结构；11角度传感器（2）图2机械结构图1.2各部分方案选择及论证L 2.1角度传感器的选择方案一：MMA7361角度传感器MMA7361是三轴小量程加速传感器，是检测物件运动和方向的传感器。它 根据物件的运动和方向改变自身输出信号的电压值。如果物件沿着某一个方向 活动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器李 敏杜而改变其输出电压，同时再用单片机的A/D转化器读取此信号，就可以检 测其运动和方向。4虽然MMA7361的精度和测量范围都达到了要求，但是安装的问题就有了明 显的缺陷。因为MMA7361是需要做成模块的，而且还需要将它固定到摆杆上，这对于安装问题就有了一定的难度。例如，固定，重力问题，摆杆的重心，惯 性等等问题需要考虑，这对于AD值的采集就有了不小的误差。方案二：WDD35D-4角度传感器WDD35D-4本质上是一个大型号的电位器其精度在0.1%,标称阻值在0.5 10K。之间，机械转角可达360,电气旋角为330,测量角度的最大偏差为 0.345 o旋转角度传感器转轴时其阻值随之改变，当转轴转动360后，电阻值 与旋转前的相等，一次，可通过读取电阻值的大小来计算旋转的角度，也可以 利用ADC采样将电阻值转换为电压值来判断旋转角度。并且，由于WDD35D-4有转轴，可直接与摆杆固定，摆杆所摆过的角度就是 转轴转过的角度，这样不仅尽可能小的避免了摆杆与转轴之间由于固定的问题 所造成的误差，也会很好的解决摆杆的安装问题。综上所述，结合实际情况我们采用了方案二，角度传感器WDD35D-4。1.2.2电机选择方案一：步进电机选择步进电机，步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。但步进 电机的功率相对较小，转速不高，并且是一令一转。在实现摆杆在水平面内倒 立旋转一周的问题上会出现瓶颈。方案二：直流电机选择直流电机，直流电机具有转速高的优点，能使摆杆在规定时间内更快 地完成旋转倒立动作。直流电机转轴不能“令行禁止”，但是可以通过检测角 度然后采取断电使电机停止转动，而且可以调整程序使电机能够自己根据摆杆 的角度调整转速与方向。综上所述，结合实际情况我们采用了方案二，选用直流电机。1.2.3角度传感器（2）的固定方案一：用胶管将电机转轴与角度传感器转轴相连5选择胶管，胶管有一定的摩擦因数，能让角度传感器转轴与电机转轴同时旋转，但是胶管较软两轴连接部分不稳定易错位，当转速过高会导致胶管断裂。用胶管连接两轴时角度传感器（2）是倒立的，并不好固定。方案二：用齿轮结构选择齿轮结构，齿轮结构是一种传动结构，两齿轮之间的啮合使得齿轮结 构具有良好的稳定性和精确性。当电机转速过高时这种结构的精确性也不会降 低，而且连接的两轴旋转完全同步，2.硬件电路设计2.1 电机驱动模块电机驱动模块我们采用了 7906,PWM一路输入，输出正反电压。电机驱动模块电路如图3O图3电机驱动模块原理图3.软件设计3.1 系统的主控制流程图6上电后，驱动电机，使摆杆摆动，然后检测摆杆位置。当摆杆向右或是向 左上升的时候，电机静止，当摆杆从左落下时，电机向右加速旋转，当摆杆从 右落下时，电机向左加速旋转。然后检测摆杆位置是否在T65165之间，如果不是继续驱动电机作上述运动，如果是，就继续检测摆杆位置，直到摆杆 倒立。图4是整个系统控制流程图。图4系统控制流程图3.2 A/D采样由于检测摆杆的是角度传感器，那么只要将角度传感器的电流值转变为电压值，并采用12位AD计算。计算公式如下：当前角度=（330/4096）*当前AD因为角度传感器的有效值只有330,所以用330来计算。3.3 PID算法流程PID是比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法。但并不是同时具备这 三种算法，也可以是PD,PL甚至只有P算法控制。比例（P）、积分（I）、微 7分(D)控制算法各有作用：比例，反应系统的基本(当前)偏差e(t),系数 大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系 统不稳定；积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；微分，反映系统偏差信号的变化 率e(t)-e(tT),具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性 能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于 输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的 克服扰动的影响，但有余差出现它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。比例积分控制规律(PI)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种 控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负 荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通 道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性 能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场 合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在 比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳 定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。PID算法流程图：8图5 PID算法流程图我们采用了例积分微分控制规律(PID)。3.4电机旋转状态监测当摆臂处于倒立状态时，摆杆位置与中值的误差为零，这样一来单片机无 法识别摆杆的状态，只能沿着最后一次自主调整的方向做加速圆周运动，直到 摆杆落下，再次重新将摆杆甩起，然后做往复运动。为使单片机识别这种状态,我们在电机旁边加了一个角度传感器，用齿轮结构与之连接，用来检测该角度 传感器阻值改变的快慢，从而判断电机旋转的状态。图6电机旋转状态判断图4.系统测试硬件焊接完毕后，经电表检测，确定无短路、虚焊、错接等问题后，开始 分步调试，整个测试分为三步。第一步：测试摆杆是否能够在30s内摆起并摆 9到60或超过60；第二步：测试摆杆在165195之间时，能否反应自 动调节使摆杆处于倒立状态并保持5s；第三步：测试摆杆能否由静止状态摆起 并能自动调节到倒立状态，时间不能超过90s。经过我们的多次测试后，基本所有测试步骤都能够完成，但是仍有问题存 在，就是当摆杆自主摆起并处于倒立状态后，电机并没有停止旋转，而是沿着 它最后自主调节的方向做加速旋转，这个问题是我们整个系统装置的最大难题。系统测试结果如下表：系统测试结果表测试步骤要求完成时间实际完成时间结论步骤一30s8s完成步骤二5s10s以上完成步骤三90s17s完成5.结论本系统采用K60单片机主控制器，结合模数转换原理、直流电机控制技术、PID算法和自动控制原理，实现通过摆臂旋转使摆杆完成倒立动作并保持一定 时间，以及在摆杆倒立的状态下做圆周运动旋转一周。在系统设计过程中，力 求硬件电路简单，降低系统成本，节约功耗。在整个系统设计过程中，硬件方面，我们选用了最简单的机械结构，保证 其稳定性、合理性，同时挑选了最合适的电机、角度传感器。软件方面，我们 斟酌采用了 PID算法，保证了所检测角度的一定的精确性。106.参考文献1华成英.童师白.模拟电子技术基础，第四版，清华大学出版社.20062郭天祥.51单片机C语言教程，第一版，电子工业出版社.200911