动平衡摆系统设计.docxVIP

摘要动平衡摆系统是一个具有典型的一种输入，多种输出，阶次较高，非线性的自然随机动荡不稳定系统。其原理一直是控制理论与应用的热点问题，这种特性使其能够作为理想的自动控制教学实验设备，其原理在工业上也有十分广泛的应用。本设计利用单片机作为核心中枢控制模块，使用角位移传感器传导角度变化信号，然后再通过单片机的综合判断来控制电机如何转动，带动水平旋转臂旋转，从而使平衡摆达到倒立垂直于地面的效果。本次设计的单片机选用AT—Mega16单片机为核心模块，选用ASLONG—JGB37—520，12V直流减速电机控制水平旋转臂，以WDD35D4，1K的线性为0.1%的以导电塑料为材料的角位移传感器测量和传递角度位移信号。关键词倒立摆；AT—Mega16单片机；直流减速电机；角位移传感器前言动平衡摆作为一个简单的多变量，高阶次，强耦合的不稳定系统，一直以来，在工业工程研究，以及控制领域中都有很典型，很重要的一个力学模型[1]。动力摆与很多非线性的工业系统的过程十分类似。正是这样，控制动力摆的各种方法在军事领域，航空航天运输领域，机械控制领域和一般的工程领域中都有着十分广阔的应用。它的平衡原理在例如机器人的运动过程中的对于动平衡的控制，火箭卫星发射时，对于垂直高度控制的以及在卫星飞行过程中的对于姿态方向的控制等方面都有很大的用途。正因为这样，对于研究控制领域的理论和应用领域的专家学者来说，动平衡摆模型一直是研究的重点和热点问题。本次设计选取这个课题的目的正是要通过研究倒立摆的原理，特性和控制方法来找出工业上适合使用或能够用于控制平衡的方法，通过对动平衡摆的研究，进一步了解其原理，工作流程和控制方法来达到掌握一系列具有此种特性和原理的机械设备的控制方法的目的。本次设计主要要解决的问题就是如何让倒立摆在无外力作用的情况下保持垂直平衡，达到在任何环境下撤去外力后，倒立摆仍能保持垂直平衡的目的。第一章 倒立摆系统概述在研究倒立摆的平衡问题之前，我们先要了解一下，倒立摆系统是一个什么样的系统，它的起源，背景，现状和分类，以及它的运作流程和控制方法等。1.1 倒立摆的来由及发展现状早在上个世纪五十年代，对于倒立摆的研究就已经在进行了，控制学专家们在麻省理工学院的实验室里根据火箭助推器倒立助推而保持平衡的原理设计出了最初的简单的一级倒立摆实验装置[2]，后来在10年以后，上个世纪60年代，基于动平衡的倒立摆不稳定系统正式的被专家学者们作为一个严重不稳定和非线性的典型系统进行研究。直到二十一世纪，对于倒立摆的研究已经非常深入和全面，对于其控制方法的研究也延伸到了更广泛的领域，人们用各种各样的方法来实现动平衡摆系统的动平衡原理。例如，在MORI SHOZO和H.NISHIHARA撰写的《Control of unstable mechanical system: Control of pendulum》中就介绍了使用对三维立体空间中对单摆运动进行综合分析的方法来设计的一种利用各项所占百分比和微分方程的方法建立的控制模拟装置来实现对简单一级倒立摆的稳定的控制[3]，又例如K.FURUTA，M.YAMAKITA和S.KOBAYASHI编写的《Swing-up Control of Inverted Pendulum Using Pseudo-state Feedback》（《倒立摆的使用伪摆起控制状态反馈》）一文中，就是通过改进倒立摆机械部分的结构的方式来实现对倒立摆系统的稳定操控的[4]。实际上，在现在科技发展的今天，还有好多的多变的科学方法可以用来控制动平衡摆的平衡，人们不断的研究不断的推动动平衡摆的发展。1.2 倒立摆的组成结构及其分类1.2.1 倒立摆的组成结构动平衡摆系统的组成包括：核心单片机控制系统，电动机及其运转系统，水平杆传动系统，倒立摆运转系统，支架结构等几大部分组成，每一部分都需要精心的设计以及细致的规划，本文将详细介绍在本次设计中使用的动平衡摆的组成结构。1.2.2 倒立摆的分类倒立摆结构的变化多种多样，它作为一个不稳定的机械系统，有着很多种不同的设计思路和设计结构，因此，动平衡摆根据所依据的结构，摆的数量，控制方法等标准的不同，可以对其进行多种系统的分类。根据摆杆的数量的不同，可以把倒立摆分为一级、二级、三级等更多复杂的多级倒立摆等[5]。单级倒立摆的运动比较好研究，级数越高，平衡摆运动越复杂，越难以研究：依据平衡摆水平杆的组合方式的区别，能够将平衡摆归纳为并联结构和串联结构，不同的连接方式需要用到的研究方法也各不相同：根据平衡摆的运动轨迹不同，还可以将动平衡摆分为倾斜轨道倒立摆和水平轨道倒立摆[6]，一般大多数研究对象都是针对水平轨道来进行研究，水平的倒立摆应用比较多；根据控制的电机控制系统是不同的可以分为单机动态的平衡倒立摆摆和多电机倒立的