一种自由摆的控制系统设计
一种自由摆的控制系统设计[20200410141444]
摘 要
自由摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的高阶不稳定系统，是检验新的控制理论和方法有效性的典型理想模型。研究自由摆不仅可解决控制理论问题，还将控制理论涉及的相关理论进行了综合应用。
本文选定旋转自由摆作为研究对象，在研究了旋转自由摆的结构原理及国内外该领域研究成果的基础上，建立了旋转自由摆系统的数学模型，分析并验证了系统的稳定性和可控可观性。在此基础上，设计基于单片机STM32的实验平台，包括旋臂、摆杆和步进电机驱动及电机，构建了以STM32最小系统为核心的控制系统。该系统采用步进电机驱动自由摆的旋转，光电编码器进行编译，将数据传送到单片机，控制自由摆的运动。本文简述并比较了几种算法，最终选定使用PID控制算法，根据PID控制算法的原理，给出相应程序设计流程图及控制程序。
通过仿真实验和实时控制，验证了本文的设计方案的有效性，实现了PID控制算法，验证了本文设计的自由摆系统的可行性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:自由摆PIDSTM32MATLAB/Simulink仿真
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2算法的概述 1
1.3本文研究内容 2
1.4论文的结构安排 3
2. 自由摆控制系统的方案设计 4
2.1系统框架结构和框图 4
2.1.1旋转自由摆的系统框图 4
2.1.2旋转自由摆的系统结构 4
2.2数学模型的建立 5
3. 自由摆的控制系统的硬件设计 9
3.1主控制电路设计 9
3.1.1 STM32主控芯片简介 9
3.1.2 主控芯片周围部分电路 9
3.2驱动电路设计 10
3.2.1步进电机及工作原理 10
3.2.2驱动电路设计 11
3.2.3 步进电机的细分控制原理 11
3.3显示电路的设计 13
3.4光电编码器 13
3.5电源电路设计 14
3.6 系统滤波 15
4. 自由摆的控制系统的软件设计 16
4.1主控软件实现 16
4.1.1电动机驱动软件设计 17
4.1.2光电编码器软件设计 17
4.2 PID控制软件设计 18
4.2.1 PID控制概述 18
4.2.2自由摆起摆软件设计 19
4.2.3自由摆摆起稳定过程设计 21
4.2.4自由摆镇定定控制 22
4.3 MATLAB/Simulink仿真 24
4.3.1 MATLAB/Simulink的基本介绍 24
4.3.2 PID调节器阶跃响应 25
4.3.3 Simulink中PID仿真 27
5. 自由摆的控制系统的调试 31
5.1自由摆实物图 31
5.2 自由倒立摆现场调试 32
6. 总结与展望 34
参 考 文 献 35
附录 39
附录1 主控制器原理图 39
附录2 显示原理图 40
附录3 主要控制系统程序 41
附录4 PID控制算法部分程序 44
致谢 47
1. 绪论
1.1课题研究的背景和意义
自20世纪50年代，为了解决航空航天方面飞行过程中对姿态的调整及平衡控制，双足机器人的直立行走等，开始研究分析自由摆系统，国内外已有一定的成果。自由摆系统拥有很强的不确定性，其一是系统各参数，其次是外界不确定原因干预。对它的稳定性控制是控制理论方面的典型例子。对其的研究不仅具有很重要的理论意义，它涉及机械、力学、电学、数学及计算机等学科，且还能解决较多的实际问题，一般重心在上且支点为下的控制问题，皆可抽象成自由摆模型，由于控制问题的复杂程度不同，所以自由摆的种类功能都各不相同。随非线性科学的发展，之前的采用线性化方法来描述非线性的性质，这种方法是很有局限性，非线性的一些本质特征不能用线性的方法体现的。目前，市面上有多家公司开发了不同自由摆系统实验平台，例如，固高公司开发的自由摆，固高现有环形自由摆、直线自由摆、平面自由摆。但由于这类自由摆价格较高昂，不适合本设计课题使用，是以本课题自制自由摆，相对市场上自由摆设备价格较低，更适合一般教学与研究。
1.2算法的概述
自由摆是一个不稳定非线性系统，要求其在一定干扰下保持稳定，系统需设计控制器进行控制，所以自由摆系统研究核心是控制器的设计。现有的控制方法有如下几种。
1.经典控制理论，它基于传递函数、根轨迹、频率特性等理论进行控制的方法。该控制方法须建立被控目标数学模型，得到线性化模型及传递函数。再对传递函数进行有效性分析处理，设计控制器，实现本系统稳定性控制。
2.现代控制理论，其包含了广泛的科学内容,主要方面有:线性系统理论、非线性系统理论 、状态反馈控制、随机控制理论 等。现控理论中实现自由摆系统平衡控制本质方法是状态反馈控制。该方法可较好的解决如自由摆系统这样多输入多输出的控制问题。现控的理论方法可对单级自由摆进行有效控制，也可对二级自由摆的稳定进行控制。
3.神经网络控制，其控制理论的特质是有非线性映射及学习归纳能力。该方法的特点，能对某些非线性不确定系统进行较有效控制。现今神经网络控制中能有效控制自由摆的方法有单层、双层及多层神经网络控制。
4.遗传算法与线性二型最优控制LQR结合控制算法，遗传算法从达尔文基因遗传与自然选择基础之上衍生出来的。遗传算法具有许多特质，是全局优化的理论方法，它寻优区域较广，可对比较多的样本进行全方面的检索，这就避免被控系统在任一阶段控制不完善。二次最优控制LQR理论能独立控制,实现自由摆稳定控制，但易受到外界原因的扰乱，控制精度大幅下降，所以将遗传算法与其相结合，取其优点更好的对自由摆系统进行控制。
5.PID控制理论和神经网络结合的算法，一般的传统控制算法，例如，PID控制算法，虽可控制一些非线性系统，但控制精度一般，尤对参数未知量的控制。因被控系统参数随时间变化，所以不能有效控制。在之前介绍的神经网络有学习能力，可将其结合PID控制算法一起进行更有有效的控制。这样就能弥补PID算法的缺陷，提高其对系统控制的精度。
6.模糊控制与神经网络控制结合控制，模糊控制和神经网络控制有许多相似的地方，但又各具特色。神经网络和模糊控制结合使用，模糊控制就有自学习能力，可对模糊规则与隶属函数等随不同情况不断自行调整，同时神经网络可在模糊控制规则与隶属函数基础上进一步有效调节控制器。
7.非线性控制理论，一般的被控对象皆为非线性。非线性理论没有发展前，人们是无法对非线性系统进行有效控制，只能在平衡点左右进行线性化处理。在非线性理论涌现后，人们将它应用于自由摆系统中。常见非线性控制有预测控制、滑模变结构控制、拟人智能控制等。由于预测控制较复杂，目前对这方面研究不深入，仍处于模拟阶段。拟人智能控制类似于模糊控制，但拟人智能控制器设计相对简单。
根据以上不同算法方法的比较，本设计使用PID算法作为自由摆系统的计算法，因为PID算法在这些方法中发展最为成熟，较好理解。
1.3本文研究内容
本设计的自由摆是以单片机 为基础的，设计并制作了简单的自由摆及其控制装置。系统包括硬件与软件两部分，硬件主要有支架、摆杆、旋转臂及光电编码器等与其电路，电路包括步进电机驱动、电源电路、显示电路等。软件是由C语言实现的，主要利用PID算法来实现对自由摆的控制，通过测试与理论分析对比调节参数，达到较好的测试效果。分析旋转自由摆的数学模型，计算推导PID的算法公式，以设定适合自由摆系统的实验参数。自由摆的实时控制是本设计的重点与难点，须实时整定参数，以期控制达到最好工作状态。
1.4论文的结构安排
在上节系统研究重点的基础上安排本文的整体结构如下：
第一章：分析了现今国内外自由摆研究发展现状及研究的背景意义，简述了自由摆的分类及其部分特点，在此基础上确立所使用自由摆的类别，并确定论文的研究方向与目的。
摘 要
自由摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的高阶不稳定系统，是检验新的控制理论和方法有效性的典型理想模型。研究自由摆不仅可解决控制理论问题，还将控制理论涉及的相关理论进行了综合应用。
本文选定旋转自由摆作为研究对象，在研究了旋转自由摆的结构原理及国内外该领域研究成果的基础上，建立了旋转自由摆系统的数学模型，分析并验证了系统的稳定性和可控可观性。在此基础上，设计基于单片机STM32的实验平台，包括旋臂、摆杆和步进电机驱动及电机，构建了以STM32最小系统为核心的控制系统。该系统采用步进电机驱动自由摆的旋转，光电编码器进行编译，将数据传送到单片机，控制自由摆的运动。本文简述并比较了几种算法，最终选定使用PID控制算法，根据PID控制算法的原理，给出相应程序设计流程图及控制程序。
通过仿真实验和实时控制，验证了本文的设计方案的有效性，实现了PID控制算法，验证了本文设计的自由摆系统的可行性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:自由摆PIDSTM32MATLAB/Simulink仿真
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2算法的概述 1
1.3本文研究内容 2
1.4论文的结构安排 3
2. 自由摆控制系统的方案设计 4
2.1系统框架结构和框图 4
2.1.1旋转自由摆的系统框图 4
2.1.2旋转自由摆的系统结构 4
2.2数学模型的建立 5
3. 自由摆的控制系统的硬件设计 9
3.1主控制电路设计 9
3.1.1 STM32主控芯片简介 9
3.1.2 主控芯片周围部分电路 9
3.2驱动电路设计 10
3.2.1步进电机及工作原理 10
3.2.2驱动电路设计 11
3.2.3 步进电机的细分控制原理 11
3.3显示电路的设计 13
3.4光电编码器 13
3.5电源电路设计 14
3.6 系统滤波 15
4. 自由摆的控制系统的软件设计 16
4.1主控软件实现 16
4.1.1电动机驱动软件设计 17
4.1.2光电编码器软件设计 17
4.2 PID控制软件设计 18
4.2.1 PID控制概述 18
4.2.2自由摆起摆软件设计 19
4.2.3自由摆摆起稳定过程设计 21
4.2.4自由摆镇定定控制 22
4.3 MATLAB/Simulink仿真 24
4.3.1 MATLAB/Simulink的基本介绍 24
4.3.2 PID调节器阶跃响应 25
4.3.3 Simulink中PID仿真 27
5. 自由摆的控制系统的调试 31
5.1自由摆实物图 31
5.2 自由倒立摆现场调试 32
6. 总结与展望 34
参 考 文 献 35
附录 39
附录1 主控制器原理图 39
附录2 显示原理图 40
附录3 主要控制系统程序 41
附录4 PID控制算法部分程序 44
致谢 47
1. 绪论
1.1课题研究的背景和意义
自20世纪50年代，为了解决航空航天方面飞行过程中对姿态的调整及平衡控制，双足机器人的直立行走等，开始研究分析自由摆系统，国内外已有一定的成果。自由摆系统拥有很强的不确定性，其一是系统各参数，其次是外界不确定原因干预。对它的稳定性控制是控制理论方面的典型例子。对其的研究不仅具有很重要的理论意义，它涉及机械、力学、电学、数学及计算机等学科，且还能解决较多的实际问题，一般重心在上且支点为下的控制问题，皆可抽象成自由摆模型，由于控制问题的复杂程度不同，所以自由摆的种类功能都各不相同。随非线性科学的发展，之前的采用线性化方法来描述非线性的性质，这种方法是很有局限性，非线性的一些本质特征不能用线性的方法体现的。目前，市面上有多家公司开发了不同自由摆系统实验平台，例如，固高公司开发的自由摆，固高现有环形自由摆、直线自由摆、平面自由摆。但由于这类自由摆价格较高昂，不适合本设计课题使用，是以本课题自制自由摆，相对市场上自由摆设备价格较低，更适合一般教学与研究。
1.2算法的概述
自由摆是一个不稳定非线性系统，要求其在一定干扰下保持稳定，系统需设计控制器进行控制，所以自由摆系统研究核心是控制器的设计。现有的控制方法有如下几种。
1.经典控制理论，它基于传递函数、根轨迹、频率特性等理论进行控制的方法。该控制方法须建立被控目标数学模型，得到线性化模型及传递函数。再对传递函数进行有效性分析处理，设计控制器，实现本系统稳定性控制。
2.现代控制理论，其包含了广泛的科学内容,主要方面有:线性系统理论
3.神经网络控制，其控制理论的特质是有非线性映射及学习归纳能力。该方法的特点，能对某些非线性不确定系统进行较有效控制。现今神经网络控制中能有效控制自由摆的方法有单层、双层及多层神经网络控制。
4.遗传算法与线性二型最优控制LQR结合控制算法，遗传算法从达尔文基因遗传与自然选择基础之上衍生出来的。遗传算法具有许多特质，是全局优化的理论方法，它寻优区域较广，可对比较多的样本进行全方面的检索，这就避免被控系统在任一阶段控制不完善。二次最优控制LQR理论能独立控制,实现自由摆稳定控制，但易受到外界原因的扰乱，控制精度大幅下降，所以将遗传算法与其相结合，取其优点更好的对自由摆系统进行控制。
5.PID控制理论和神经网络结合的算法，一般的传统控制算法，例如，PID控制算法，虽可控制一些非线性系统，但控制精度一般，尤对参数未知量的控制。因被控系统参数随时间变化，所以不能有效控制。在之前介绍的神经网络有学习能力，可将其结合PID控制算法一起进行更有有效的控制。这样就能弥补PID算法的缺陷，提高其对系统控制的精度。
6.模糊控制与神经网络控制结合控制，模糊控制和神经网络控制有许多相似的地方，但又各具特色。神经网络和模糊控制结合使用，模糊控制就有自学习能力，可对模糊规则与隶属函数等随不同情况不断自行调整，同时神经网络可在模糊控制规则与隶属函数基础上进一步有效调节控制器。
7.非线性控制理论，一般的被控对象皆为非线性。非线性理论没有发展前，人们是无法对非线性系统进行有效控制，只能在平衡点左右进行线性化处理。在非线性理论涌现后，人们将它应用于自由摆系统中。常见非线性控制有预测控制、滑模变结构控制、拟人智能控制等。由于预测控制较复杂，目前对这方面研究不深入，仍处于模拟阶段。拟人智能控制类似于模糊控制，但拟人智能控制器设计相对简单。
根据以上不同算法方法的比较，本设计使用PID算法作为自由摆系统的计算法，因为PID算法在这些方法中发展最为成熟，较好理解。
1.3本文研究内容
本设计的自由摆是以单片机 为基础的，设计并制作了简单的自由摆及其控制装置。系统包括硬件与软件两部分，硬件主要有支架、摆杆、旋转臂及光电编码器等与其电路，电路包括步进电机驱动、电源电路、显示电路等。软件是由C语言实现的，主要利用PID算法来实现对自由摆的控制，通过测试与理论分析对比调节参数，达到较好的测试效果。分析旋转自由摆的数学模型，计算推导PID的算法公式，以设定适合自由摆系统的实验参数。自由摆的实时控制是本设计的重点与难点，须实时整定参数，以期控制达到最好工作状态。
1.4论文的结构安排
在上节系统研究重点的基础上安排本文的整体结构如下：
第一章：分析了现今国内外自由摆研究发展现状及研究的背景意义，简述了自由摆的分类及其部分特点，在此基础上确立所使用自由摆的类别，并确定论文的研究方向与目的。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4247.html
