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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)是一個典型的單輸入多輸出、復雜的、非線性的不穩(wěn)定系統(tǒng)。它在軍事、航天、機器人和各類工業(yè)領域都有著廣泛的用途。因而，對倒立擺控制系統(tǒng)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(tǒng)。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(zhí)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(xiàn)控制倒立擺運動的效果。

一、倒立擺算法分析

為實現(xiàn)倒立，本系統(tǒng)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(xiàn)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(tài)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(guī)則庫會包含74=2401個推理規(guī)則，但如此多的規(guī)則是很難實現(xiàn)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(tǒng)總體設計框圖

本系統(tǒng)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(tài)的擺桿改變狀態(tài)，這樣將不能實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)穩(wěn)定，主控芯片會通過驅動電路發(fā)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)軟件流程

由于系統(tǒng)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(jié)，可以采用PWM調速方法。控制電機的時候，電源并非連續(xù)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(xiàn)時，可以通過執(zhí)行軟件延時循環(huán)程序交替改變端口某個二進制位輸出邏輯狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)等。程序的核心算法是基于PID的閉環(huán)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(tǒng)工作;（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)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(tǒng)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(jié)，從而使擺桿達到預定的狀態(tài)。系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

四、測試結果

本系統(tǒng)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(tài)（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(tài)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(tài)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(tài)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(tǒng)上進行驗證。本系統(tǒng)具有制作方法簡單，系統(tǒng)操作控制方便，擺桿倒立持續(xù)時間長等特點，基本達到了設計要求。

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作者簡介：曾敬（1982—），四川遂寧人，研究方向：通訊與信息技術。