使用SPCE061A單片機(jī)的二級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)

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)，可以考慮通過倒立擺裝置來驗(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：有效長度為90cm的光滑導(dǎo)軌，可以在導(dǎo)軌上來回移動(dòng)的小車，材料為鋁的擺桿鉸接在小車上，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，有效長度為525cm。小車的驅(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，小車相對(duì)參考點(diǎn)的相對(duì)位移x有電位器0測量傳動(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)擺桿和小車鉸接處的電位器1測量得到，二級(jí)擺桿與豎直方向的夾角θ2由電位器2通過測量兩個(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使小車根據(jù)擺角的變化而在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。小車依靠直流電機(jī)所施加的控制力，可以在導(dǎo)軌上左右移動(dòng)。控制目標(biāo)是在有限長度的導(dǎo)軌上使倒立擺能穩(wěn)定地豎立在小車上而不倒下，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)向量的線性反饋規(guī)律來構(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，分別是小車位置x、兩個(gè)擺角度θ1和θ2、，其中小車位置、兩個(gè)擺角度分別由電位器0、 電位器1、電位器2測量所得，而小車的速度和兩個(gè)擺角速度由小車位置、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公司生產(chǎn)的SPCE061A單片機(jī)。采用了四個(gè)IGBT來實(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的開發(fā)是通過在線調(diào)試器PROBE實(shí)現(xiàn)的。它既是一個(gè)編程器（即程序燒寫器），又是一個(gè)實(shí)時(shí)在線調(diào)試器。用它可以替代在單片機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)過程中常用的軟件工具——硬件在線實(shí)時(shí)仿真器和程序燒寫器。在計(jì)算機(jī)IDE集成開發(fā)環(huán)境軟件包下，完成在線調(diào)試功能。

2.2.2 控制電路原理及接口