倒立擺作為一種典型的控制系統(tǒng)實驗裝置，具有非線性、自然不穩(wěn)定等特性，常用來作為檢驗某種控制理論或方法是否合理的典型方案。一階倒立擺系統(tǒng)能用多種理論和方法來實現(xiàn)其穩(wěn)定控制，如ＰＩＤ、自適應、狀態(tài)反饋、模糊控制及人工神經元網絡等多種理論和方法都能在倒立擺系統(tǒng)控制上得到實現(xiàn)。

　　１系統(tǒng)構成及工作原理

　　圖１為一階旋轉倒立擺結構示意圖。直流電機作為唯一的動力裝置，與旋臂保持剛性連接，帶動旋臂在水平面內旋轉，旋臂的一端通過轉軸（本系統(tǒng)選用電位器角度傳感器）與擺桿連接，擺桿可做垂直于旋臂的圓周運動。在自然狀態(tài)下，擺桿為豎直下垂狀態(tài)。倒立擺控制的目的是通過控制直流電動機的運動狀態(tài)，使擺桿保持倒立狀態(tài)。

　　圖１倒立擺結構示意圖

　　系統(tǒng)工作原理如下：擺桿擺動時，角度傳感器檢測擺桿的角度，根據(jù)角度傳感器的輸出特性，其輸出電壓經Ａ／Ｄ轉換器轉換成電壓數(shù)字量，該數(shù)字量與期望的值進行比較產生偏差，通過單片機對該偏差進行處理，即ＰＩＤ控制運算，根據(jù)運算結果產生控制信號控制電機和旋臂的轉動，使擺桿的角度與期望的角度更接近。

　　倒立擺控制系統(tǒng)結構框圖如圖２所示，單片機（５１單片機）為控制器，直流電機為執(zhí)行器，倒立擺為被控對象，倒立擺角度為被控量，角度傳感器和模數(shù)轉換器構成反饋回路。

　　圖２倒立擺控制系統(tǒng)結構框圖

　　２ 倒立擺控制系統(tǒng)的硬件設計

　　２．１單片機最小系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)中選用了ＳＴＣ９０Ｃ５１單片機，該型單片機

　　具有以下特點：①八位ＭＣＵ核，與傳統(tǒng)８０５１兼容；②大容量存儲空間，包括６４ｋＢ程序空間，１２８０Ｂ

　　ＳＲＡＭ等；③具有４個八位并行Ｉ／Ｏ口，３個定時／計數(shù)器，２個外部中斷源和１個全雙工ＵＡＲＴ傳輸口；④５Ｖ供電時，最高支持８０ＭＨｚ振蕩頻率，具備高速浮點運算能力，適合倒立擺系統(tǒng)等較為復雜的控制系統(tǒng)使用。５１單片機最小系統(tǒng)如圖３所示。

圖3 51單片機最小系統(tǒng)

　　２．２擺桿角度檢測

　　檢測擺桿角度所用到的角度傳感器種類非常多，常用的有電位器式角度傳感器、光電編碼器、陀螺儀模塊等。由于電位器式角度傳感器原理簡單，檢測精度取決于所用Ａ／Ｄ轉換器的精度，成本相對較低，因此，綜合多方面要求，本系統(tǒng)選用電位器式角度傳感器。

　　傳感器返回的電壓信號無法被單片機直接識別，所以需要通過Ａ／Ｄ轉換，將模擬電壓信號轉換為二進制數(shù)的形式，然后單片機才能計算出偏差，進而產生相應的輸出。Ａ／Ｄ轉換器常用的有８位和１２位輸出，在本系統(tǒng)中選用８位Ａ／Ｄ轉換器即可滿足控制要求，其型號選用ＡＤＣ0809，相應電路原理圖見圖４。

圖4 Ａ／Ｄ轉換電路

　　Ａ／Ｄ轉換器的時鐘脈沖為單片機ＡＬＥ引腳輸出的脈沖經７４ＬＳ７４芯片分頻之后得到，Ａ／Ｄ轉換器的８位數(shù)字信號通過單片機的Ｐ０口進行采集與處理。

　　２．３驅動電路

　　本系統(tǒng)選用的直流電機額定電壓為２４Ｖ，額定功率為３０Ｗ，單片機的Ｉ／Ｏ口不足以提供如此大的驅動能力，故需采用驅動電路。常用的直流電機驅動芯片為Ｌ２９８Ｎ，可驅動兩路直流電機，最大驅動電壓為４６Ｖ，最大電流２Ａ～３Ａ，滿足設計要求。直流電機驅動電路如圖５所示。

圖５　直流電機驅動電路

　　圖５中，Ｌ２９８Ｎ的ＥＮＡ為使能端，可作為單片機ＰＷＭ（脈寬調制）控制端，控制直流電機轉速；ＩＮ１和ＩＮ２為信號輸入端，ＯＵＴ１和ＯＵＴ２為輸出端，輸出

　　狀態(tài)與輸入狀態(tài)對應，控制直流電機轉向。輸出端的二極管為續(xù)流二極管，起保護電動機線圈的作用。

　　３倒立擺控制系統(tǒng)的軟件設計

　　３．１控制算法

　　本系統(tǒng)采用ＰＩＤ控制算法，ＰＩＤ算法適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質要求高的控制系統(tǒng)。ＰＩＤ算法有３個可設定參數(shù)，即比例放大系數(shù)ＫＰ、積分時間常數(shù)ＴＩ、微分時間常數(shù)ＴＤ。比例調節(jié)的作用是使調節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會產生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消除被調量的穩(wěn)態(tài)誤差，但由于積分飽和等原因可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效地減小動態(tài)偏差［４］。其傳遞函數(shù)為：容－源－電－子－網－為你提供技術支持