采用16位結(jié)構(gòu)的微控制器實(shí)現(xiàn)二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

倒立擺系統(tǒng)在控制理論研究中是一種較為理想的實(shí)驗(yàn)裝置。倒立擺系統(tǒng)可以用多種理論和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定控制，如PID、自適應(yīng)、狀態(tài)反饋、智能控制、模糊控制及人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等多種理論和方法，都能在倒立擺系統(tǒng)控制上得到實(shí)現(xiàn)，而且當(dāng)一種新的控制理論和方法提出以后，在不能用理論加以嚴(yán)格證明時(shí)，可以考慮通過(guò)倒立擺裝置來(lái)驗(yàn)證其正確性和實(shí)用性。本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的得倒立擺控制系統(tǒng)，成本低廉，調(diào)試方便，能直觀的觀察控制效果，完成系統(tǒng)的調(diào)試任務(wù)，快捷的驗(yàn)證控制理論算法的正確與否。

1．二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

二級(jí)倒立擺系統(tǒng)有以下部分組成：有效長(zhǎng)度為90cm的光滑導(dǎo)軌，可以在導(dǎo)軌上來(lái)回移動(dòng)的小車(chē)，材料為鋁的擺桿鉸接在小車(chē)上，二級(jí)擺桿以同樣的方式與一級(jí)擺桿相連，如圖所示，它們的鉸接方式?jīng)Q定了它們的運(yùn)動(dòng)是被限定在豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，一級(jí)擺桿和二級(jí)擺桿的規(guī)格相同，有效長(zhǎng)度為525cm。小車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一直流力矩伺服電機(jī)和同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)組成，小車(chē)相對(duì)參考點(diǎn)的相對(duì)位移x有電位器0測(cè)量傳動(dòng)帶而得到，一級(jí)擺桿與豎直方向的夾角θ1由固定在一級(jí)擺桿和小車(chē)鉸接處的電位器1測(cè)量得到，二級(jí)擺桿與豎直方向的夾角θ2由電位器2通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)擺的角度差θ2-θ1而間接得到。直流伺服電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力F使小車(chē)根據(jù)擺角的變化而在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。小車(chē)依靠直流電機(jī)所施加的控制力，可以在導(dǎo)軌上左右移動(dòng)?？刂颇繕?biāo)是在有限長(zhǎng)度的導(dǎo)軌上使倒立擺能穩(wěn)定地豎立在小車(chē)上而不倒下，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

2．控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制原理及設(shè)計(jì)思路

狀態(tài)反饋是將系統(tǒng)的每一個(gè)狀態(tài)變量乘以相應(yīng)的反饋系數(shù)，然后反饋到輸入端與參考輸入相加形成控制律，作為受控系統(tǒng)的控制輸入。狀態(tài)反饋系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是采用對(duì)狀態(tài)向量的線(xiàn)性反饋規(guī)律來(lái)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于控制作用是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，可使控制效果得到很大地改善，從而具有更好的一系列控制特性。本系統(tǒng)采用狀態(tài)反饋法控制二級(jí)倒立擺系統(tǒng)。二級(jí)倒立擺系統(tǒng)共有六個(gè)狀態(tài)變量，分別是小車(chē)位置x、兩個(gè)擺角度θ1和θ2、

，其中小車(chē)位置、兩個(gè)擺角度分別由電位器0、電位器1、電位器2測(cè)量所得，而小車(chē)的速度和兩個(gè)擺角速度由小車(chē)位置、兩個(gè)擺角度經(jīng)微分變換所得。這六個(gè)狀態(tài)變量輸入到單片機(jī)的ADC模塊中，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后被送到上位機(jī)顯示，并與由上位機(jī)設(shè)定的反饋參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，再把所求的結(jié)果經(jīng)由單片機(jī)的DAC模塊輸出到功放電路，再經(jīng)過(guò)PWM脈寬調(diào)制到執(zhí)行電機(jī)獲得對(duì)倒立擺相應(yīng)的力從而控制倒立擺的穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)圖如下所示：

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：

系統(tǒng)控制裝置的硬件采用基于凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的SPCE061A單片機(jī)。采用了四個(gè)IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM功率轉(zhuǎn)換電路，使電路的反應(yīng)更能及時(shí)準(zhǔn)確。電機(jī)是永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)，它能經(jīng)常使用在堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)。該電機(jī)可在位置或低速隨動(dòng)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。

2.2.1 SPCE061A單片機(jī)性能特點(diǎn)

SPCE061A是凌陽(yáng)科技推出的一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使μ’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。16位μ’nSP?微處理器；2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值）； 2個(gè)10位DAC（數(shù)-模轉(zhuǎn)換）輸出通道； 32位通用可編程輸入/輸出端口； 7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；具備串行設(shè)備接口； SPCE061A的開(kāi)發(fā)是通過(guò)在線(xiàn)調(diào)試器PROBE實(shí)現(xiàn)的。它既是一個(gè)編程器（即程序燒寫(xiě)器），又是一個(gè)實(shí)時(shí)在線(xiàn)調(diào)試器。用它可以替代在單片機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中常用的軟件工具——硬件在線(xiàn)實(shí)時(shí)仿真器和程序燒寫(xiě)器。在計(jì)算機(jī)IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件包下，完成在線(xiàn)調(diào)試功能。

2.2.2 控制電路原理及接口

SPCE061A有8路可復(fù)用10位ADC通道，其中一路通道（MIC_In）用于語(yǔ)音輸入，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制器和放大器放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。其余7路通道（Line_In）和IOA［0~6］管腳復(fù)用，可以直接通過(guò)引線(xiàn)（IOA［0~6］）輸入，用于將輸入的模擬信號(hào)（如電壓信號(hào)）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。二級(jí)倒立擺系統(tǒng)中的六個(gè)狀態(tài)變量電壓變化范圍為—12—+12伏，而單片機(jī)ADC模塊的要求輸入電壓變化范圍為0—+3.3伏，因此六個(gè)狀態(tài)變量經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換電路后分別接至SPCE061A單片機(jī)的IOA0~IOA5。SPCE061A UART模塊提供了一個(gè)全雙工標(biāo)準(zhǔn)接口，用于完成SPCE061A與外設(shè)之間的串行通訊。UART模塊的接收管腳Rx和發(fā)送管腳 TX 分別與IOB7和IOB10共用。本系統(tǒng)采用的是半雙工的通訊方式。IOB7和IOB10與MAX485芯片相連接，并再經(jīng)485232轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)串行口相連。實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變量在上位機(jī)的顯示以及由上位機(jī)設(shè)置反饋參數(shù)的功能。SPCE061A為音頻輸出提供兩個(gè)DAC通道， 0—3.3毫安模擬電流信號(hào)通過(guò)DAC1管腳輸出。經(jīng)狀態(tài)反饋運(yùn)算后所得到的控制量以0—3.3毫安模擬電流信號(hào)輸出，此電流信號(hào)經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路，在經(jīng)電壓倍放電路后變?yōu)椤?2—+12V。輸至功放去控制PWM脈寬調(diào)制進(jìn)而控制執(zhí)行電機(jī)，使二級(jí)倒立擺達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：

上位機(jī)應(yīng)用VC＋＋編寫(xiě)的串口程序。其上位機(jī)的應(yīng)用界面如下圖所示：

從圖中可以看出，第一行表示的是測(cè)量的六個(gè)狀態(tài)變量，分別是小車(chē)位置，小車(chē)速度，一擺的角度，一擺的角速度，二擺的角度，二擺的角速度。其數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)，這樣就可以觀察數(shù)據(jù)是否有異常的情況。第二行就是根據(jù)實(shí)際情況給單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而達(dá)到設(shè)置參數(shù)的目的。在狀態(tài)反饋的控制策略中，分別設(shè)置的是六個(gè)狀態(tài)反饋系數(shù)。

單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是采用的是C語(yǔ)言，C的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔、明快，有豐富的庫(kù)函數(shù)和較好的調(diào)試手段，還具有移植性好，上手快等特點(diǎn)。在控制軟件中包含主程序、中斷程序和各種子程序，下面介紹應(yīng)用狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺穩(wěn)定控制的程序流程圖。

狀態(tài)反饋需要測(cè)量六個(gè)量，上位機(jī)需要給單片機(jī)設(shè)置六個(gè)反饋參數(shù)。程序流程圖如下：