DSP单级旋转倒立摆系统设计与实现
单级旋转倒立摆是控制理论研究一个非常经典的装置；该装置结构简单，但又具有复杂的数学模型，通过自制旋转倒立摆，以TMS320F28335作为控制核心，采用高精度角位移传感器作为角度采样器件，大功率大扭矩舵机作为驱动装置；使倒立摆这样一个不稳定的控制对象，通过引入PID控制使之成为一个稳定的系统。
本设计制作完成后，具有保持直立状态的功能；当系统被引入是适当的干扰后也能通过自身的调整迅速恢复稳定。该系统将具备一定的抗干扰能力和鲁棒性，在控制的过程中表现平稳，反应灵敏，具有良好动态特性。 M000149
关键词：旋转倒立摆 DSP 角位移 PID
Design and Implementation of Single-stage Rotary Inverted Pendulum System Based on DSP
Single-stage rotary inverted pendulum control is the study of a typical device algorithm; the device has the advantages of simple structure, but also has thecomplex mathematical model;through the self-made rotational inverted pendulum, taking TMS320F28335 as control core, using high precision angular displacement sensor as the angular sampling device, high power and torque of steering gear as the driving device. Make such an unstable inverted pendulum control object into a stable system by introducing the PID control to make.
After the system is finished, you can very well kept upright; introducing appropriate jamming system can quickly adjust and make the restoration of stability. The design of the system has good stability and anti-jamming capabilities, while controlling the process smooth, responsive, with good dynamic quality.
Key Words: rotary inverted pendulum; TMS320F28335; PID
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1.绪论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2倒立摆控制的关键技术 2
1.2.1系统设计 2
1.2.2数学建模 2
1.2.3摆杆角度的检测 2
1.2.4旋臂的驱动 2
1.2.5控制算法 2
1.3本文主要研究目标与内容 2
1.4论文章节安排 3
2.系统原理分析 4
2.1平衡控制原理分析 4
2.2倒立摆的数学建模 4
2.3PID控制器设计 6
3.系统硬件电路设计 8
3.1机械结构的设计 8
3.2DSP最小系统的设计 9
3.2.1TMS320F28335简介 9
3.2.2时钟设计 10
3.2.3复位电路 11
3.2.4JTAG接口设计 11
3.3电源管理模块的设计 12
3.4摆杆姿态检测模块的设计 13
3.4.1角位移感器的介绍 13
3.4.2AD采集电路的设计 14
3.5SCI串口调试电路 15
3.6旋臂的驱动设计 16
4.系统软件设计 18
4.1软件系统总体结构 18
4.2DSP系统初始化软件设计 19
4.2.1模数转换模块（ADC）初始化 19
4.2.2串行通信模块（SCI）初始化设置 19
4.2.3定时器模块的初始化 20
4.2.4舵机脉宽调制的初始化 21
4.3摆杆姿态检测软件设计 21
4.4摆杆平衡PID控制软件设计 23
4.4.1内环副控制器的设计 23
4.4.2外环控制器的设计 25
5.系统调试 26
5.1软件开发环境CCS概述 26
5.2系统硬件电路调试 27
5.3控制系统PID的参数的整定 27
6.总结与展望 31
6.1总结 31
6.2展望 31
参考文献 32
附录 33
附录一 系统电路原理图 33
附录二 系统核心源代码 34
致谢 39
1.2.1系统设计
单级旋转倒立摆的系统设计包括：旋转倒立摆机械结构的设计，硬件系统的设计和软件系统的设计。只有在机械设计上保证了机械的稳定性，才可以做到软件设计的简洁性，这样可以减少因机械设计的不合理而引入一些未知的干扰；硬件部分包含倒立摆所需的硬件电路设计和机械结构设计；软件的设计则主要实现倒立摆倒立的控制。
11.11.21.2.11.2.2数学建模
通过建立系统数学模型有助于设计控制器，以及控制系统中各参数的确定。系统数学模型建立的重点在于动力学方面，主要采用拉格朗日动力学方程以及牛顿力学定律的方法。倒立摆系统本质就是一个多变量、快速、非线性和自然不稳定系统，因此建模必须考虑到线性化问题。
1.2.3摆杆角度的检测
要让摆杆始终保持在直立状态，就需要实时的、准确无误的知道当前摆杆所处的位置；并根据角度进行实时控制。检测角度的传感器有很多，比如绝对值编码器，通过通讯直接获得当前角度的值；增量式编码器通过正交编码脉冲计数方法获取角度的变化，当然还有导电塑料电位器；通过前期的实验比较分析发现用角位移传感器是最合适的；并加以一定的滤波算法；能够很好的得到摆杆当前的角度，同时动态特性也非常好。
1.2.4旋臂的驱动
旋臂的动态响应对系统稳定性是至关重要的，倒立摆的起摆控制、倒立控制都与旋臂的控制有直接关系；在旋臂的驱动上有多种选择，可以选择步进电机、直流电机、大功率的舵机。
1.2.5控制算法
由于倒立摆本身就是一个不稳定的系统，所以最终实现的的倒立是处在动态平衡的状态。在外界干扰下，能够快速的恢复平衡，使摆杆保持竖直状态是控制算法需要考虑的问题，本系统将采用经典的PID控制实现倒立控制。也可以采用各类更为先进的算法，诸如基于状态空间的最优控制算法、模糊控制、神经网络等等。
1.3本文主要研究目标与内容
本课题的设计目标就是设计一个倒立摆系统，主要研究系统数学模型的建立，PID算法的特性以及常用数字滤波算法的应用和大功率舵机的控制。具体包括：
1)机械设计：包括实验装置的搭建，传感器的选择安装，为进一步研究提供良好的平台；
2)信号调理及控制部分电路设计：角位移传感器输出的信号需要经过滤波隔离，因此需要设计信号调理电路，同时控制核心需要构建相关输入输出模块及人机交互设备，因此需要对主控单元电路进行设计。
3)PID控制算法：包括两路闭环控制。摆杆倾角闭环控制以及舵机的闭环控制。
4)倒立摆的控制：包括倒立摆的倒立控制，起摆控制，动态响应，抗干扰能力。
1.4论文章节安排
第一章：绪论，主要介绍倒立摆发展的历史、研究方向及应用的背景，然后阐述课题的研究目标及主要内容。
第二章：系统原理阐述与分析，对倒立摆的运动进行数学建模，分析摆杆角度的检测以及滤波算法进行应用，以及PID控制器的设计。
第三章：系统硬件的设计，介绍倒立摆的硬件结构组成及其设计，主要包括到倒立摆的机械结构设计、DSP最小系统、AD信号的采集电路、舵机的驱动等。
第四章：系统软件的设计，介绍DSP各个外设的初始化，滤波算法及控制算法，介绍各模块的软件设计方法。
第五章：系统调试，介绍滤波算法的效果与参数调整方法，PID参数整定、AD采集滤波等模块的调试效果，对调试结果进行分析。
第六章：总结和展望，总结在设计中存在的不足之处，以及对倒立摆的优化方向进行简要的概述。 查看完整请+Q:351916072获取
本设计制作完成后，具有保持直立状态的功能；当系统被引入是适当的干扰后也能通过自身的调整迅速恢复稳定。该系统将具备一定的抗干扰能力和鲁棒性，在控制的过程中表现平稳，反应灵敏，具有良好动态特性。 M000149
关键词：旋转倒立摆 DSP 角位移 PID
Design and Implementation of Single-stage Rotary Inverted Pendulum System Based on DSP
Single-stage rotary inverted pendulum control is the study of a typical device algorithm; the device has the advantages of simple structure, but also has thecomplex mathematical model;through the self-made rotational inverted pendulum, taking TMS320F28335 as control core, using high precision angular displacement sensor as the angular sampling device, high power and torque of steering gear as the driving device. Make such an unstable inverted pendulum control object into a stable system by introducing the PID control to make.
After the system is finished, you can very well kept upright; introducing appropriate jamming system can quickly adjust and make the restoration of stability. The design of the system has good stability and anti-jamming capabilities, while controlling the process smooth, responsive, with good dynamic quality.
Key Words: rotary inverted pendulum; TMS320F28335; PID
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1.绪论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2倒立摆控制的关键技术 2
1.2.1系统设计 2
1.2.2数学建模 2
1.2.3摆杆角度的检测 2
1.2.4旋臂的驱动 2
1.2.5控制算法 2
1.3本文主要研究目标与内容 2
1.4论文章节安排 3
2.系统原理分析 4
2.1平衡控制原理分析 4
2.2倒立摆的数学建模 4
2.3PID控制器设计 6
3.系统硬件电路设计 8
3.1机械结构的设计 8
3.2DSP最小系统的设计 9
3.2.1TMS320F28335简介 9
3.2.2时钟设计 10
3.2.3复位电路 11
3.2.4JTAG接口设计 11
3.3电源管理模块的设计 12
3.4摆杆姿态检测模块的设计 13
3.4.1角位移感器的介绍 13
3.4.2AD采集电路的设计 14
3.5SCI串口调试电路 15
3.6旋臂的驱动设计 16
4.系统软件设计 18
4.1软件系统总体结构 18
4.2DSP系统初始化软件设计 19
4.2.1模数转换模块（ADC）初始化 19
4.2.2串行通信模块（SCI）初始化设置 19
4.2.3定时器模块的初始化 20
4.2.4舵机脉宽调制的初始化 21
4.3摆杆姿态检测软件设计 21
4.4摆杆平衡PID控制软件设计 23
4.4.1内环副控制器的设计 23
4.4.2外环控制器的设计 25
5.系统调试 26
5.1软件开发环境CCS概述 26
5.2系统硬件电路调试 27
5.3控制系统PID的参数的整定 27
6.总结与展望 31
6.1总结 31
6.2展望 31
参考文献 32
附录 33
附录一 系统电路原理图 33
附录二 系统核心源代码 34
致谢 39
1.2.1系统设计
单级旋转倒立摆的系统设计包括：旋转倒立摆机械结构的设计，硬件系统的设计和软件系统的设计。只有在机械设计上保证了机械的稳定性，才可以做到软件设计的简洁性，这样可以减少因机械设计的不合理而引入一些未知的干扰；硬件部分包含倒立摆所需的硬件电路设计和机械结构设计；软件的设计则主要实现倒立摆倒立的控制。
11.11.21.2.11.2.2数学建模
通过建立系统数学模型有助于设计控制器，以及控制系统中各参数的确定。系统数学模型建立的重点在于动力学方面，主要采用拉格朗日动力学方程以及牛顿力学定律的方法。倒立摆系统本质就是一个多变量、快速、非线性和自然不稳定系统，因此建模必须考虑到线性化问题。
1.2.3摆杆角度的检测
要让摆杆始终保持在直立状态，就需要实时的、准确无误的知道当前摆杆所处的位置；并根据角度进行实时控制。检测角度的传感器有很多，比如绝对值编码器，通过通讯直接获得当前角度的值；增量式编码器通过正交编码脉冲计数方法获取角度的变化，当然还有导电塑料电位器；通过前期的实验比较分析发现用角位移传感器是最合适的；并加以一定的滤波算法；能够很好的得到摆杆当前的角度，同时动态特性也非常好。
1.2.4旋臂的驱动
旋臂的动态响应对系统稳定性是至关重要的，倒立摆的起摆控制、倒立控制都与旋臂的控制有直接关系；在旋臂的驱动上有多种选择，可以选择步进电机、直流电机、大功率的舵机。
1.2.5控制算法
由于倒立摆本身就是一个不稳定的系统，所以最终实现的的倒立是处在动态平衡的状态。在外界干扰下，能够快速的恢复平衡，使摆杆保持竖直状态是控制算法需要考虑的问题，本系统将采用经典的PID控制实现倒立控制。也可以采用各类更为先进的算法，诸如基于状态空间的最优控制算法、模糊控制、神经网络等等。
1.3本文主要研究目标与内容
本课题的设计目标就是设计一个倒立摆系统，主要研究系统数学模型的建立，PID算法的特性以及常用数字滤波算法的应用和大功率舵机的控制。具体包括：
1)机械设计：包括实验装置的搭建，传感器的选择安装，为进一步研究提供良好的平台；
2)信号调理及控制部分电路设计：角位移传感器输出的信号需要经过滤波隔离，因此需要设计信号调理电路，同时控制核心需要构建相关输入输出模块及人机交互设备，因此需要对主控单元电路进行设计。
3)PID控制算法：包括两路闭环控制。摆杆倾角闭环控制以及舵机的闭环控制。
4)倒立摆的控制：包括倒立摆的倒立控制，起摆控制，动态响应，抗干扰能力。
1.4论文章节安排
第一章：绪论，主要介绍倒立摆发展的历史、研究方向及应用的背景，然后阐述课题的研究目标及主要内容。
第二章：系统原理阐述与分析，对倒立摆的运动进行数学建模，分析摆杆角度的检测以及滤波算法进行应用，以及PID控制器的设计。
第三章：系统硬件的设计，介绍倒立摆的硬件结构组成及其设计，主要包括到倒立摆的机械结构设计、DSP最小系统、AD信号的采集电路、舵机的驱动等。
第四章：系统软件的设计，介绍DSP各个外设的初始化，滤波算法及控制算法，介绍各模块的软件设计方法。
第五章：系统调试，介绍滤波算法的效果与参数调整方法，PID参数整定、AD采集滤波等模块的调试效果，对调试结果进行分析。
第六章：总结和展望，总结在设计中存在的不足之处，以及对倒立摆的优化方向进行简要的概述。 查看完整请+Q:351916072获取
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