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单片机在倒立摆控制系统的应用

时间:2019-01-16 14:38:05来源:不详 作者:admin 点击:次
倒立摆作为一种典型的控制系统实验装置，具有非线性、自然不稳定等特性，常用来作为检验某种控制理论或方法是否合理的典型方案。一阶倒立摆系统能用多种理论和方法来实现其

　　其中：ｕ（ｋ）为第ｋ个采样时刻的输出；ｅ（ｋ）为第ｋ个采样时刻的偏差值；Ｔ为采样周期；ＫＰ为比例放大系数；ＴＩ为积分时间常数；ＴＤ为微分时间常数。

　　在实时性要求较高的倒立摆系统中，积分作用常常使系统对偏差的调节变慢，使动态相应变慢。因此要尽量弱化或者消除积分作用，使用ＰＤ调节规律即可。在该系统中，输入变量为给定值与实际检测到角度的差值，输出变量控制所产生的ＰＷＭ波形的占空比。由于旋臂、摆杆以及电动机的各项参数很难准确把握，且干扰较多，难以建立精确的数学模型，因此采用试验法整定参数的数值，即根据系统表现出的状态，调节各参数的数值，直至系统达到稳定。

　　３．２程序流程图

　　倒立摆系统主程序流程图见图６。其中，Ｕ为ＰＩＤ运算的输出值，为输出ＰＷＭ波形的占空比，由于所选单片机不具备专用ＰＷＭ输出引脚，需要利用定时器Ｔ０模拟其波形输出，定时器Ｔ０中断子程序流程图见图７。在本系统中，采样周期选择为１０ｍｓ，由定时器Ｔ１控制，定时器Ｔ１中断子程序流程图见图８。



　　４系统测试

　　本系统测试所用到的倒立摆模型为自制简易模型，测试过程如下：外力将摆杆拉起至接近倒立状态（与倒立状态相差２０°左右）；给系统上电，同时撤去外力，观察到摆杆迅速呈倒立状态，经过几次调整，即可长时间保持倒立状态。系统达到稳定状态的效果如图在摆杆保持倒立状态时，施加一扰动，即轻碰摆杆或旋臂，系统经过短时间的调整之后，仍可以自动调节至稳定状态，说明该系统具备较强的鲁棒性。

　　５结论

　　本系统采用单片机作为一阶旋转倒立摆系统的控制器，执行了数据采集、数据处理（ＰＩＤ运算）、控制直流电机运行状态等操作，成功使该系统稳定，其经济性和实用性得到了很好的展现。同时也体现了经典ＰＩＤ控制理论在一阶倒立摆系统中使用时良好的控制效果。

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