摘 要：對單級旋轉(zhuǎn)倒立擺的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了以STM32為核心的控制器設(shè)計(jì)，在控制策略上采用經(jīng)典控制理論P(yáng)ID的控制算法，實(shí)現(xiàn)對單級旋轉(zhuǎn)倒立擺旋轉(zhuǎn)臂及擺桿的同時(shí)閉環(huán)控制，最終測試結(jié)果表明系統(tǒng)控制策略有效。

關(guān)鍵詞：STM32；倒立擺；閉環(huán)控制

引言

倒立擺控制系統(tǒng)是自動控制理論的重要研究平臺，可對應(yīng)于火箭垂直發(fā)射控制技術(shù)，因此對它的研究具有重大的實(shí)踐意義和價(jià)值。目前對倒立擺的研究主要分為系統(tǒng)力學(xué)分析及建模，控制算法及仿真，而對實(shí)現(xiàn)手段少有研究。文章討論了以STM32為核心的倒立擺控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，它實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典雙回路PID控制算法對旋轉(zhuǎn)單級倒立擺的控制策略。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

倒立擺的系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：控制器，驅(qū)動系統(tǒng)，檢測裝置及機(jī)械部分。其中由于控制器需要完成復(fù)雜的PID運(yùn)算，要求系統(tǒng)反饋控制速度快，因此以具有ARM核的32位STM單片機(jī)為核心完成控制算法；檢測裝置由光電碼盤構(gòu)成，主要用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)動速度及擺桿的角加速度，本系統(tǒng)中采用200P/R的歐姆龍光電編碼器。驅(qū)動部分采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的電機(jī)驅(qū)動芯片mc33886，其輸出電流可以達(dá)到5A，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)PWM 調(diào)速，正反轉(zhuǎn)，制動等實(shí)時(shí)控制功能。紅外遙控及鍵盤為系統(tǒng)調(diào)試輔助裝置，可以在系統(tǒng)運(yùn)動過程中對程序中的P，I，D參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。控制系統(tǒng)部分硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中以STM32為核心的控制器控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動旋轉(zhuǎn)臂來回?cái)[動從而帶動擺桿做圓周運(yùn)動至直立狀態(tài)，直立后迅速切換電機(jī)運(yùn)行模式使擺臂穩(wěn)擺。系統(tǒng)中由檢測裝置測得的擺臂位置，擺臂加速度及電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速等參數(shù)反饋回STM32進(jìn)行綜合PID計(jì)算，輸出PWM波進(jìn)行電機(jī)調(diào)速從而使系統(tǒng)能處于穩(wěn)態(tài)?？刂葡到y(tǒng)的核心為STM32中對控制算法的實(shí)現(xiàn)。

2 控制算法及程序設(shè)計(jì)

倒立擺系統(tǒng)的控制過程是：通過電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動產(chǎn)生合適的力u使得旋轉(zhuǎn)臂和擺桿在某一給定的初始條件下能夠快速到達(dá)新的動態(tài)平衡。本系統(tǒng)是單輸入雙輸出系統(tǒng)，在控制方案上采用采用經(jīng)典控制理論的雙閉環(huán)PID控制，系統(tǒng)控制原理方框圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)控制原理路

在控制策略上采用經(jīng)典的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)算法。常用的PID控制算法有兩種：增量式和位置式。增量式算法特點(diǎn)是累計(jì)誤差小，位置式算法特點(diǎn)是響應(yīng)速度快。根據(jù)系統(tǒng)控制特點(diǎn)，采用位置式PID控制算法。

PID增量式控制算法，其算式為

式中u（k）為控制量，本系統(tǒng)中為電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速。e（k）為偏差，T為采樣周期，k為采樣序列，kp為比例系數(shù)，KI=KP■為積分系數(shù)，KD=Kp■為微分系數(shù)。采樣周期和采樣序列根據(jù)對擺桿的力學(xué)分析及香農(nóng)定理得出。具體的P，I，D參數(shù)整定則需要在調(diào)試過程中通過不斷調(diào)整來確定。

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要完成了上述PID控制算法及PWM電機(jī)調(diào)速，完成了系統(tǒng)雙閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)了倒立擺控制系統(tǒng)。程序由主程序和4個(gè)子程序構(gòu)成，子程序分別完成起擺，穩(wěn)擺，穩(wěn)擺并做圓周運(yùn)動等動作。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)是否有效，對系統(tǒng)進(jìn)行了系列測試，測試中采用精度為1°的360°角度指示板及精度為0.01s的秒表。測試數(shù)據(jù)如表1：

表1擺動測試數(shù)據(jù)

從測試數(shù)據(jù)反映，系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)擺臂擺動及穩(wěn)擺，且擺臂直立后擺動幅度小，在遇外力干擾后能迅速作出反應(yīng)回到穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)完成動作好，抗干擾能力強(qiáng)。

3 結(jié)束語

文章給出了一種倒立擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并成功地設(shè)計(jì)了倒立擺系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分，最終構(gòu)建了一個(gè)倒立擺系統(tǒng)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了測試，數(shù)據(jù)證明設(shè)計(jì)是成功的。本系統(tǒng)對多種工程問題，如電磁直立行車的直立駕駛實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)提供了的重要的借鑒和參考價(jià)值。

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作者簡介：王立謙（1975-），女，四川人，漢族，碩士研究生，現(xiàn)工作于華中科技大學(xué)武昌分校自動化教研室，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)，EDA技術(shù)。