白富斌+董君浩+侯麗鵬

摘 要：以LabVIEW為平臺(tái)，結(jié)合PID算法，對(duì)旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

在倒立擺旋轉(zhuǎn)過程中，通過編碼器將判斷位置與角度的相應(yīng)電信號(hào)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)通過運(yùn)行程序計(jì)算并輸出信號(hào)進(jìn)而來控制擺桿的的角度、位置，使倒立擺的擺桿不會(huì)下垂。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)倒立擺；PID算法；LabVIEW；反饋調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.09.096

0 引言

倒立擺系統(tǒng)是非線性、強(qiáng)耦合、多變量和自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)。在控制過程中，能有效地反映諸如魯棒性、隨動(dòng)性等許多控制中的關(guān)鍵問題，是檢驗(yàn)各種控制理論的理想模型。因此對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究在理論和方法上均有著深遠(yuǎn)的意義。

本文中，用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集卡、液晶顯示模塊等制作了一個(gè)一級(jí)旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)，用PID算法，在LabVIEW中編程，進(jìn)行控制測(cè)試及調(diào)整，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺的精準(zhǔn)控制。

1 倒立擺系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

旋臂一端與伺服電機(jī)連接并由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可繞轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)臂另一端固定有一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器連接著擺桿，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)擺桿在與編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理

編碼器將角位移電壓信號(hào)送到控制器，根據(jù)狀態(tài)反饋控制器將此電壓信號(hào)輸入LabVIEW前面板中，通過程序計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，再給PID模塊輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，再由伺服驅(qū)動(dòng)器使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)擺桿的控制

3 旋轉(zhuǎn)倒立擺的PID控制算法

控制系統(tǒng)中通過對(duì)給定值與反饋值取偏差，然后將偏差的比例、積分、微分，通過線性組合轉(zhuǎn)化為控制量；在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID控制器的輸出u（t）與輸入e（t）之間成比例、積分、微分的關(guān)系如下圖2。

其中Kc，Ti，Td分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期；k采樣序號(hào)，k=0，2，……：u（KT）為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e（KT）為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e（KT-T）為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。

PID算法的調(diào)試過程的幾個(gè)步驟：

（1）把積分和微分歸零，增加比例的參量，使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；

（2）減少比例的參量，找到振蕩點(diǎn)的臨界值，并做記錄；

（3）增大積分的參量，讓積分參數(shù)去接近事先設(shè)定的一個(gè)目標(biāo)值；

（4）當(dāng)給系統(tǒng)通電之后觀察超調(diào)、振蕩還有穩(wěn)定時(shí)間是不是達(dá)到了預(yù)期的效果；

（5）分析超調(diào)和振蕩的數(shù)據(jù)之后，按照系統(tǒng)的調(diào)試，增加微分參數(shù)的比重。

4 LabVIEW控制以及程序運(yùn)行流程

NI公司的LabVIEW作為一種圖形化編程語言，使編寫程序代碼圖形化，使編程變得簡單，便于設(shè)計(jì)編程，調(diào)試，檢查等。

LabVIEW的動(dòng)態(tài)仿真過程：

在LabVIEW前面板給定一個(gè)電壓值，然后經(jīng)過程序的運(yùn)行與參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺系統(tǒng)運(yùn)行情況的仿真。擺臂角度與擺桿角度的仿真結(jié)果如圖3。

仿真結(jié)果分析：

從仿真結(jié)果可以判定旋轉(zhuǎn)倒立擺能較好的根據(jù)規(guī)定的軌道按照控制信號(hào)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的。

從開始到前0.4秒電機(jī)的轉(zhuǎn)輪做加速運(yùn)動(dòng)，懸臂的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度不斷增大。

在旋臂加速后迅速給其一個(gè)制動(dòng)的信號(hào)，使得旋臂的速度能迅速減小，此時(shí)擺桿依靠慣性，實(shí)現(xiàn)擺桿的倒立。

從第2秒到第5秒，系統(tǒng)變化比較平緩，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。

從第5秒過后，擺臂的擺動(dòng)角度沒有發(fā)生明顯的改變，系統(tǒng)進(jìn)入到平衡狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文中，以LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)程序的模塊化，在程序的調(diào)試過程時(shí)比較方便；應(yīng)用編碼器監(jiān)測(cè)擺臂的角度，減少了系統(tǒng)滯后帶來的問題。

系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，倒立擺擺桿從起擺至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，通過LabVIEW編的程序和PID控制算法控制的倒立擺，在穩(wěn)定性與抗干擾性上都比較好，最終實(shí)現(xiàn)了倒立擺擺桿的倒立。

參考文獻(xiàn)

[1]王紅.基于PID算法的旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大眾科技，2014，（10）.

[2]王招治.基于MATLAB的旋轉(zhuǎn)倒立擺的控制與仿真分析[J].機(jī)電技術(shù)，2012，（4）.