查看-2007-2008学年度上学期课程设计.doc

电气学科大类 2007 级信号与控制综合实验课程开 题 报 告(设计性实验和自行命题项目)姓 名 王谱宇 学 号 U200717845 专业班号 0715 同组者1 曹智慧 学 号 U200712055 专业班号 0708 同组者2 邓娜 学 号 U200712078 专业班号 0710 同组者3 周翩 学 号 U200712183 专业班号 0710 同组者4 张小颖 学 号 U200712210 专业班号 0710 学 院 电气与电子工程学院 一、实验（项目）名称 倒立摆系统的设计与研究二、实验（项目）内容简介I.目前调研情况综述1、什么是倒立摆（Inverted pendulum）倒立摆控制系统是一个不稳定的非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。（摘自百度百科） 图1-1 一级倒立摆实物图 图1-2 二级倒立摆实物图 图1-3 倒立摆模型图（来自百度图片）2、倒立摆的控制方法本系统中，基本阶段只需控制倒立摆杆的稳定性，因此输入量即为偏转角度（杆的偏转角度对应杆的重心位置），通过将杆与水平方向夹角的期望值设置为零，角度传感器将实际的角度值反馈给DSP，从而实现倒立摆的实时控制。直流电机通过传动系统带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。要实现摆杆的稳定，就要求小车能够很好地与摆杆的状态随动。具体物理过程将在建模以后得出结论。3、目前的研究状况在摆杆数量方面，已由一级，二级，三级，发展到目前最高的四级倒立摆（北京师范大学），多级摆的摆杆之间属于自有连接（即无电动机或其他驱动设备）。在摆杆的运动范围方面，已由一维（直线），二维（平面），发展到三维。目前，小型的倒立摆系统大多采用DSP实现对其的控制，而MATLAB等软件则用于倒立摆的建模仿真及控制参数的优化。在倒立摆系统的控制方法方面，由经典PID控制，向基于极点配置和LQR算法的现代控制，和基于模糊控制理论，神经网络等的智能控制方向发展。基于我们目前有限的理论知识，暂定采取PID控制方法来实现倒立摆系统，此外也会尽量了解其他的方法，并且比较二者的区别。4、倒立摆的功能与应用检测系统的稳定性：利用倒立摆系统模拟其他的系统（将目标系统的各个参数嵌入到倒立摆系统中），从而得到一个比理论计算与计算机仿真更接近实际的模拟方法。同理，倒立摆系统将也是一个比较通用化的观察器。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。（摘自百度百科）5、所需实验条件的调研要实现目标系统，在硬件方面需要小车，轨道，小型直流电机，摆杆，轴承，传感器，计算机，A/D转换器以及DSP等。软件方面主要是各种建模与仿真软件，以及控制开发板的编程软件，目前了解到的有：Matlab, Proteus, DSP Builder等。控制模块主要由电机速度控制，信号的采取（传感器），反馈环节，以及主控制系统（实现大量数据的同步计算与处理）组成。6、可行性的调研目前已经有许多实现了的倒立摆控制系统的例子，可参考的实验经验比较充足。在软件方面，可以利用MATLAB和Proteus等进行仿真；在硬件方面，部分可以利用现有的实验室条件，其余的硬件可以购买到，或者在机械学院的同学的帮助下实现。（1） 拟实现的目标，拟解决的问题及关键设计思路（技术路线）1一级目标：设计和研究一级一维倒立摆角度控制系统。a.使摆杆在受到扰动后快速达到平衡稳定；b.设计控制方法时，采用经典PID控制与智能控制中的模糊控制，并进行对比分析。2.二级目标：横向拓展。a.仍对一级一维倒立摆进行角度控制，但使之能够自动起摆； b.一级一维倒立摆的摆杆角度和小车位置双重控制。3.三级目标：纵向提升。 一级二维，二级倒立摆的控制。希望所做出的成品模型能够在学校实验室得到应用和开发。II.关键设计思路（技术路线）倒立摆是一个非线性的极不稳定系统，因此虽然其结构简单，但要实现其稳定控制，还是比较困难的，因此我们对本次实验的方案设计，规划如下：A、方框图初步建模分析方框图解说：整个倒立摆的控制有两个目标，第一个目标是摆杆相对小车角度的控制，其中d是我们的理想角度，即d=0，这一部分对应于图上的序号所框住的方框图，这一部分将通过两个传感器实现信号的反馈（其中图上画的关于的传感有两条支路，实际上只要一个位置传感器就可以实现，这样分开画是为了清晰地体现出对于摆杆的角度和角速度两个量的采集，另外一个是速度传感器，用于对电机转速的测量），将反馈信号送入DSP进行实时处理，DSP将处理结果经D/A转换作为电机的控制信号，从而调节小车的运动方向和速度，以达到控制的目的。第二个目标是我们扩展实验部分的目标，即对于小车的位置X的控制，首先通过编程将理想位置 输入DSP，方框所框住的部分是对小车位置的一个反馈（这里需要说明的是，我们之所以考虑采用速度传感器，是因为在对小车数学建模以后，电机的转速和小车的速度将会有一个比较好的对应关系，从而这小车和电机的两个速度传感器可能可以简化成一个；但是由于小车的位置信号不仅和小车速度的积分有关，还和小车的初始位置有关，所以我们可能需要在DSP中设定好小车的初始位置Xo，或者我们干脆换成一个位置传感器，直接测小车的位置X。）通过DSP 对于和Xo比较分析通过与实现控制的类似方法实现小车的位置控制。B、整体构架1.电机控制电机是主要的控制对象，它驱动小车运动从而保持倒立杆在竖直方向上的平衡。因此对电机的灵敏度以及功率要求较高。我们计划采用功率较大的伺服电机，由于目前对这方面的资料不是太了解，其驱动电路待定（我们了解到一种PWM调速，但不知道是否可以实现我们所要求的功能），但需要实现的功能是很明确的：能够实现电机的正转和翻转，能够实现电机的调速，甚至最好能实现加速度的调节。2.小车的控制小车的控制方面主要是要实现电机与小车运动的良好耦合，这个在机械加工方面要求较高，比如齿轮，转轴的设计与安装，小车骨架的设计与制作等。由于我们缺乏相关的技术与知识，在熊老师的推荐下，我们找到了机械学院的同学（老师）参与这方面的制作。如果制作未能达到要求，我们还可以采取另一种方案，即购买小车模型，并对其进行改造。3.倒立杆的控制倒立杆要实现与小车引出轴的基本无摩擦连接，我们采用的方案是利用滚轮来连接杆和轴，并且考虑到重心平衡的问题，引出轴可能设计在车体的中心位置。为了更好地利用我们设计的系统来实现对控制理论的验证和学习，我们也考虑在转轴上安装刹车皮，改变杆的转动的阻尼系数，从而实现对系统的调节。当然这只是我们进行验证和探索性试验的方面之一。C、控制模块1、主控系统在本系统的设计中，对于中央处理系统的要求比较高，必须实现大量数据的同步计算和处理，因此我们考虑，对于本系统简单的模拟电路似乎不太容易实现，因此采用单片机或者具有强大同步运算功能的DSP来实现，在熊老师的指导下，我们将尽量采用后者。2、电机调速时反馈的实现电机调速反馈，我们计划采用发电机型的测速传感器，这种传感器成本较低，反应较为灵敏，外围电路非常简单，且由于我们采用的电机功率较大因此可以忽略其对电机的输出功率的影响。如果灵敏度不够高，我们的备用方案为：采用光电码盘进行测速传感，这种方案成本较高，设计较为复杂，但由于是光电耦合，并且数字编码控制，因此灵敏度高，且几乎对系统无影响。3、倒立杆重心的检测与控制倒立杆重心控制是本系统最核心也是我们遇到的最难解决的一个问题，要求倒立杆的运动状态可以非常迅速且准确地反馈到处理模块中。我们考虑到的实现原理是：通过杆的旋转角度的反馈来获取重心的位移信息，反馈给控制模块。从参考的文献来看，似乎也是采用这样的方法。因此我们采用的实现方案如下：方案一：采用电阻式角位移传感器，设想是一个圆形的电阻式电位计，固定在转轴处，其触头固定在倒立杆上，杆的角位移转化为输出电压值。该方案实现起来比较简单，且成本也不高，但是触头受到的摩擦力比较大，可能会对系统的灵敏性产生负面的影响。而且从学长的咨询中也了解到，这种电位计比较少见。方案二：采用光电码盘角位移传感，同样的，这种传感几乎没有摩擦，而且也便于数字控制。但是价格昂贵，安装困难，设计复杂。D、校正与实验模块系统设计时，我们均采用模块化设计方法。若采用DSP设计系统，那尽量将数据交予DSP处理，其余校正部分则可以通过运放电路，或者系统物理参数（部件质量，摩擦力大小等）的调整实现系统PID的配置。并且校正电路与实验系统的设计也相应模块化，以方便地实现其与主控制系统的连接接与卸载。便于各种校正方法的比较和实现。E、拓展部分在拓展部分，我们计划实现小车运动以及倒立杆的双重控制，这将涉及到双出入双输出系统的设计与实现。并且如果有时间和技术支持的话，我们也希望实现计算机对本系统各种数据的采集、处理和人性化的显示，从而开发出一套完整的自控理论倒立摆的实验系统。若以上设想均已实现，我们仍然有更多的拓展方向比如：一维二级倒立摆系统，二维一级倒立摆系统等。具体的建模与控制的实现我们将在基本实验阶段完成后开始着手。三、实验（项目）所需实验条件（1）所需实验条件（软件条件、硬件条件、场地条件、其它）软件条件：Matlab建模与仿真，Proteus单片机仿真；硬件条件：导轨，小型直流电机，小车，杆，轴承，传感器（光电码盘传感器，测角度，角速度，以及电机转速），计算机，单片机（或DSP），A/D转换器；场地条件：实验室，寝室即可；其他：电路板制作。（2）已经具备的实验条件软件条件，场地条件，单片机，计算机。（3）尚缺实验条件硬件部分。（4） 建议的解决办法及成本预算解决办法：对于机械硬件部分，我们尽量邀请相关专业的同学帮忙制作和指导，而电路硬件方面，我们会在自学的基础上向老师和学长请教成本预算：小车模型80元（待定）滚轮轴5元 倒立杆5元伺服电机50元；驱动电路板：15元DSP处理开发模块500元（待定）或 单片机（已经具备）+外围处理电路100元发电机式角速度传感器10元 或 光电码盘+外围电路20元圆弧形电位计10元 或 光电码盘+外围电路20元各种电子元件及芯片30元拓展部分 ：200元预计花费范围为：315935元估计花费600元左右四、实验（项目）实施的时间计划安排实验流程时间安排系统建模设计和仿真分析1619周元器件采集、实际系统的搭建2022周（或适当延长一周时间）寒假在家时仿真假期间系统调试、理论验证下学期12周实验内容的拓展（功能扩展）下学期35周实验报告撰写下学期第6周具体实验流程解说：（1）系统建模设计与仿真分析1. 建立系统数学模型，可适当参考文献资料；2. Matlab进行数学模型的分析，系统设计与仿真分析；3. Proteus进行电路模型的设计和分析。（2）元器件采集、实际系统搭建：1.小车：已有模型车改装或自行组装；2.导轨：材料选择与结构设计，或直接使用成品导轨，注意与小车配合；3.摆杆：材料选择，参数配置；4.传感器：类型，大小，参数；5.控制电路模块：DSP；6.组装系统。（3）寒假在家时的仿真：1.鉴于功能扩展的难度有点高，假期可能要开始理论部分的准备，着重如何实现双输出系统的控制（状态空间法的采用）。（4）系统调试部分：1.实现最初的设计要求；2.为了更好地理解系统各参数（主要是阻尼比）对于系统性能的影响（响应时间、灵敏度），适当加一些控制模块（如PID）或其他控制方法，进行控制理论的验证，对比与分析。（5）实验内容的扩展： 1.主要是在实现倒立摆系统稳定（角度达到要求）的前提下，实现小车的位置控制。（6）实验报告撰写：本次项目的所有文档，由全部队员共同完成。五、组长及团队成员名单及主要分工组员姓名分工情况王谱宇队长曹智慧队长邓娜软件负责人周翩软件负责人张小颖硬件负