簡易旋轉倒立擺控制系統設計

曾敬 滕軍 陸曉燕

【摘要】本設計以STC89S52單片機為控制核心，通過角度傳感器得到系統變量，利用PWM分別對電機轉動角度與速度進行控制，進而實現倒立擺在一定的角度范圍內的旋轉控制。

【關鍵詞】倒立擺;角度傳感器;STC89S52

倒立擺系統是一個典型的單輸入多輸出、復雜的、非線性的不穩定系統。它在軍事、航天、機器人和各類工業領域都有著廣泛的用途。因而，對倒立擺控制系統的研究具有重要的工程意義。本設計是基于AT89S52的單片機簡易旋轉倒立擺控制系統。其主要構造包括旋臂、擺桿、直流電機等裝置。其中直流電機為執行機構，可由專門的電機驅動芯片如L298N驅動。根據一定的算法計算將信號提供給驅動芯片，以驅動直流電機轉動，從而帶動旋臂旋轉，最終實現控制倒立擺運動的效果。

一、倒立擺算法分析

為實現倒立，本系統在算法方面采用了模糊控制。所謂模糊控制，就是在控制方法上應用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊思維方法，用計算機實現與操作者相同的控制。該理論以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯為基礎，用比較簡單的數學形式直接將人的判斷、思維過程表達出來。本設計中涉及的狀態變量共有4個，每個變量的論域作7個模糊集的模糊劃分，這樣，完備的推理規則庫會包含74=2401個推理規則，但如此多的規則是很難實現的，而二維模糊控制器的控制性能較好，所以一般選擇增量算法作為模糊控制器的輸出變量，模糊控制基本結構如圖1所示。

圖1 模糊控制的基本結構

二、系統總體設計框圖

本系統主要由主控模塊、角度傳感器模塊、機械結構模塊、電源模塊、電機驅動模塊等幾部分組成。為了讓擺桿有更大的慣性，帶動擺桿旋轉更大的角度，在設計中，我們設定電機正反轉存在一定的角度差。電機轉動角度差一般設定在30o以內，如果角度差太大，會迫使還處于上一個慣性狀態的擺桿改變狀態，這樣將不能實現增大慣性作用，反而使擺桿擺動角度變小。當電動機驅動擺桿轉到360°，且倒立時，采用角度傳感器檢測擺桿擺動方位，控制電動機于擺桿擺動方向想一致，進而實現擺桿倒立。在整個該過程中，為了確保電動機在調整速度的同時維持系統穩定，主控芯片會通過驅動電路發出脈沖指令，控制電動機作相應的微調，從而完成動作。本系統主要通過AT89S52單片機來控制電路的輸出，使用模糊控制算法，實現按鍵控制、電機轉動、倒立擺旋轉、液晶顯示等功能。角度傳感器模塊在系統中的作用是檢測擺桿與水平面的夾角，進而將數據反饋給主控芯片，主控芯片以此來發出控制指令。電路設計總體框圖如圖2所示。

圖2 電路設計總體框圖

圖3 主程序流程圖

三、系統軟件流程

由于系統使用的是直流減速電機，所以控制方法相對較為簡單，只需給電機的控制線加上適當的電壓即可使電機轉動起來，電壓越高則電機轉速越快。對于直流電機的速度調節，可以采用PWM調速方法。控制電機的時候，電源并非連續的向電源供電，而是在一個特定的頻率下以方波脈沖的形式提供電能。不同占空比的方波能對電機起到調速作用。這是因為電機實際上是一個大電感，它有阻礙輸入電流和電壓突變的能力。因此，脈沖輸入信號被平均分配到作用時間上，這樣，改變在始能端輸入方波的占空比就能改變加在電機兩端的電壓大小，從而改變了轉速。用軟件方式實現時，可以通過執行軟件延時循環程序交替改變端口某個二進制位輸出邏輯狀態以產生脈寬調制信號。設置不同的延時時間會得到不同的占空比。角度傳感器在系統中的主要作用是用來檢測角度的。軸每轉過1/16圈，角度傳感器就會計數一次。往一個方向轉動時，計數增加，轉動方向改變時，計數減少。計數與角度傳感器的初始位置有關。當初始化角度傳感器時，它的計數值被設置為0，如果需要，可以通過用編程讓它重新復位。本系統主程序大致流程包括對AT89S52的初始化設置、角度傳感器TCL2543的初始化設置、液晶顯示初始化設置，按鍵設置，定時器初始化設置，占空比調節等。程序的核心算法是基于PID的閉環控制，PID控制器參數的整定步驟如下：（1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作;（2）僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期;（3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。系統再根據角度傳感器檢測到的擺桿位置，做出相應的電機轉速的調節，從而使擺桿達到預定的狀態。系統的主程序流程如圖3所示。

四、測試結果

本系統從以下三個方面對倒立擺進行了測試

1.擺桿從處于自然下垂狀態（擺角0o）開始，驅動電機帶動旋轉臂作往復旋轉使擺桿擺動，并盡快使擺角達到或超過-60o～+60o;

2.從擺桿處于自然下垂狀態開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動;

3.在擺桿處于自然下垂狀態下，外力拉起擺桿至接近165o位置，外力撤除同時，啟動控制旋轉臂使擺桿保持倒立狀態時間不少于5s;期間旋轉臂的轉動角度不大于90o。

測試結果如表1所示。

表1 倒立擺測試表

測試項目 測試要求 測試結果

擺桿擺動角度 在-60o～+60o 完成

擺桿旋轉角度 圓周運動 完成，可擺動兩個圓周運動以上

擺桿接近165o

時保持倒立時間 保持倒立時間不少于5s，旋轉臂角度不大于90o 10次測試，完成了7次。

五、結論

倒立擺是一個很好的控制實驗裝置，由于其結構簡單、成本較低、對于控制效果檢驗能力強等特點，在控制方法的實驗和研究上有很重要的地位。設計者可以利用所學的控制理論，自行設計多種控制算法，并在本該系統上進行驗證。本系統具有制作方法簡單，系統操作控制方便，擺桿倒立持續時間長等特點，基本達到了設計要求。

參考文獻

[1]何為民.低功耗單片微機系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1994.

[2]胡大可，李培泓，張路平.基于單片機8051的嵌入式開發指南[M].北京：電子工業出版社，2003.

[3]張振榮，晉明武，王毅平.MCS-51單片機原理及實用技術[M].北京：人民郵電出版社，2000.

[4]黃智偉.全國大學生電子設計競賽電路設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]劉寶延.步進電機及其驅動控制系統[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1972.

[6]周航慈.單片機應用程序設計技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1991.

[7]郁有文.傳感器原理及工程應用[M].西安：西安電子科技大學出版，2008.

[8]宋戈.51單片機應用開發范例大全[M].北京：人民郵電出版社，2010.

作者簡介：曾敬（1982—），四川遂寧人，研究方向：通訊與信息技術。