專利名稱：一種倒立擺系統(tǒng)及其控制電路和控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動控制技術領域，特別涉及一種設備簡單，使用方便的倒立擺系統(tǒng)及其控制電路和控制方法。
背景技術：
倒立擺控制系統(tǒng)是一個復雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)，是控制領域內(nèi)的經(jīng)典研究對象，是進行控制理論教學及開展各種控制實驗的理想實驗平臺。通過對倒立擺的控制，用來檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力。同時，其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業(yè)過程領域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。 倒立擺的控制問題就是使擺桿盡快地達到一個平衡位置，并且使之沒有大的振蕩和過大的角度和速度。當擺桿到達期望的位置后，系統(tǒng)能克服隨機擾動而保持穩(wěn)定的位置?，F(xiàn)有技術中，能夠用于相關控制實驗和研究的控制平臺較少，僅有少數(shù)可購買的實驗平臺，設備復雜，價格昂貴，不利于有效推廣。因此，一直以來有關倒立擺系統(tǒng)的學習研究大多集中于理論仿真的范疇。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種設備簡單，使用方便，適用于控制理論學習研究和實踐的倒立擺系統(tǒng)及其控制電路和控制方法。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種倒立擺系統(tǒng)，包括擺桿、角度測量編碼器、位移測量編碼器、電機、小車和控制裝置，所述擺桿、角度測量編碼器、位移測量編碼器均安裝在小車的車體平臺上，擺桿的前后各設有彈片，電機驅(qū)動小車的后輪，小車的前輪支撐車體平臺的平衡和移動，所述控制裝置控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。本發(fā)明主要實現(xiàn)一個基于移動小車的一級倒立擺實時控制與監(jiān)測系統(tǒng)，擺桿為受控對象，通過控制裝置控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進而控制小車的移動，使得擺桿始終保持在豎直方向的位置。角度測量編碼器用于測量擺桿偏離豎直方向的角度，位移測量編碼器用于測量小車的位移。控制過程中，當擺桿受到一定的擾動(如用手輕觸擺桿或在擺桿頂端加適量重物)，由于擺桿前后各設有彈片，擺桿能夠快速的恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和適應性。同時本發(fā)明能實現(xiàn)自動起擺控制，即初始時刻不需要手動扶正擺桿，借助彈片自動捕捉零點位置。此外，彈片還能保護系統(tǒng)，避免擺桿落下?lián)p壞。在一個實施方式中，所述控制裝置設有電量檢測與電量指示模塊，系統(tǒng)啟動后能夠自動檢測電量，如果電量過低則系統(tǒng)不可用并進行報警提示充電。在一個實施方式中，所述控制裝置設有人機交互平臺，使用計算機進行控制參數(shù)上傳和下載傳輸以及系統(tǒng)實時監(jiān)測，同時還能在任意時刻停止系統(tǒng)。用戶通過人機交互平臺與系統(tǒng)交流，使用方便。優(yōu)選地，所述人機交互平臺設有系統(tǒng)模式選擇與設置模塊，系統(tǒng)設有離線控制和在線控制兩種模式。離線模式下不需要計算機，直接使用系統(tǒng)自存參數(shù)實現(xiàn)控制(包括手動上擺和自動上擺)，能用于演示。在線模式即通過計算機的人機交互平臺實現(xiàn)控制參數(shù)的實時傳輸和狀態(tài)量的實時監(jiān)測。在線模式又分為實時監(jiān)控和不監(jiān)控兩種模式。在一個實施方式中，所述控制裝置設有系統(tǒng)控制失敗報警和保護模塊，當系統(tǒng)控制失敗(比如超出可控角度)，系統(tǒng)會自動停止并進行報警，防止系統(tǒng)損壞。本發(fā)明還提供一種上述倒立擺系統(tǒng)的控制電路，包括電源接入模塊、無線通信模塊、鑒相器模塊、計數(shù)器模塊、控制器模塊以及雙電機驅(qū)動模塊，由電源接入模塊供電，分別輸入至無線通信模 塊、鑒相器模塊、計數(shù)器模塊，各信號傳送至控制器模塊，控制器模塊將計算的控制信號輸出至雙電機驅(qū)動模塊，由電機輸出端口連接電機。本發(fā)明的控制電路由電源接入模塊供電，無線通信模塊與計算機進行實時大量的數(shù)據(jù)交互，用于控制參數(shù)傳輸和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。鑒相器模塊用于判斷當前擺桿倒向的方向和小車偏離原點的方向，將相應的信號傳送給控制器模塊。計數(shù)器模塊用于計數(shù)小車的位移脈沖，將計數(shù)的編碼值直接傳送到控制器模塊?？刂破髂K不停的讀取系統(tǒng)各狀態(tài)物理量的測量值并使用相應的控制算法計算控制輸出，將計算所得的PWM控制信號輸出到雙電機驅(qū)動模塊，由電機輸出端口連接電機，進而控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，通過電機控制小車狀態(tài)。在一個實施方式中，所述電源接入模塊和所述控制器模塊之間設有電源檢測與電量指示模塊，將電源電壓分壓、采樣、隔離、檢測并通過控制電源指示燈顯示相應的電量狀態(tài)。在一個實施方式中，所述電源接入模塊和所述控制器模塊之間設有系統(tǒng)模式選擇與設置模塊，使用撥碼鍵盤等進行模式設置，每個按鍵對應一個指示燈用于指示當前的選擇狀態(tài)。每個撥碼按鍵的功能已被預定義，根據(jù)意愿選擇和設置模式。本發(fā)明同時還提供一種上述倒立擺系統(tǒng)的控制方法，依次包括以下步驟將控制參數(shù)輸入控制裝置；對擺桿進行擾動；控制裝置控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，進而控制小車狀態(tài)，使擺桿偏離在可控角度內(nèi)；若超出可控角度，系統(tǒng)控制失敗報警。在一個實施方式中，所述控制裝置的工作過程為
a、啟動，系統(tǒng)初始化，電量檢測，若電量不足則提示充電，若電量充足則進入下一步
驟；
b、系統(tǒng)模式選擇，離線模式下使用系統(tǒng)自存參數(shù)實現(xiàn)控制，在線模式下通過計算機人機交互平臺實現(xiàn)控制參數(shù)的實時傳輸和狀態(tài)量的實時監(jiān)測；
C、按下啟動按鍵，系統(tǒng)采集當前各物理狀態(tài)量并進行數(shù)字濾波，根據(jù)狀態(tài)反饋計算控制輸出，輸出控制系統(tǒng)；
d、判斷當前擺桿是否處于可控范圍，若超出可控范圍，系統(tǒng)自動停止并進行報警，若在可控范圍內(nèi)，則再次進行步驟C。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明設備簡單，使用方便，成本相對較低，適用于控制理論的學習研究和實踐，為廣大控制理論學習者提供一個良好的實驗平臺，為深入研究控制理論提供一個完美的研究對象。


圖I是本發(fā)明的倒立擺系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I的俯視方向示意圖。圖3是圖I的左視方向示意圖。圖4是本發(fā)明的控制電路圖。圖5是本發(fā)明的控制流程圖。圖6是本發(fā)明的人機交互平臺的界面圖。圖中省略了與本發(fā)明設計要點無關的其他部件。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖I至圖3所示，本發(fā)明的一種倒立擺系統(tǒng)，包括擺桿101、角度測量編碼器102、位移測量編碼器103、電機104、小車和控制裝置(未示出)，所述擺桿101、角度測量編碼器102、位移測量編碼器103均安裝在小車的車體平臺105上，擺桿101的前后各設有彈片106，本實施例中，所述電機104設為兩個，兩個電機104分別驅(qū)動小車的兩個后輪107，小車的前輪108支撐車體平臺105的平衡和移動，所述控制裝置控制電機104的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。本發(fā)明主要實現(xiàn)一個基于移動小車的一級倒立擺實時控制與監(jiān)測系統(tǒng)，擺桿101為受控對象，通過控制裝置控制電機104的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進而控制小車的移動，使得擺桿101始終保持在豎直方向的位置。角度測量編碼器102用于測量擺桿偏離豎直方向的角度，位移測量編碼器103用于測量小車的位移。控制過程中，當擺桿101受到一定的擾動(如用手輕觸擺桿或在擺桿頂端加適量重物)，由于擺桿前后各設有彈片106，擺桿101能夠快速的恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和適應性。同時本發(fā)明能實現(xiàn)自動起擺控制，即初始時刻不需要手動扶正擺桿101，借助彈片106自動捕捉零點位置。此外，彈片106還能保護系統(tǒng)，避免擺桿101落下?lián)p壞。為進一步增強可用性，本實施例中，所述控制裝置設有電量檢測與電量指示模塊，系統(tǒng)啟動后能夠自動檢測電量，如果電量過低則系統(tǒng)不可用并進行報警提示充電。本實施例中，所述控制裝置設有人機交互平臺，使用計算機進行控制參數(shù)上傳和下載傳輸以及系統(tǒng)實時監(jiān)測，同時還能在任意時刻停止系統(tǒng)。用戶通過人機交互平臺與系統(tǒng)交流，使用方便。本實施例中，所述人機交互平臺設有系統(tǒng)模式選擇與設置模塊，系統(tǒng)設有離線控制和在線控制兩種模式。離線模式下不需要計算機，直接使用系統(tǒng)自存參數(shù)實現(xiàn)控制(包括手動上擺和自動上擺)，能用于演示。在線模式即通過計算機的人機交互平臺實現(xiàn)控制參數(shù)的實時傳輸和狀態(tài)量的實時監(jiān)測。在線模式又分為實時監(jiān)控和不監(jiān)控兩種模式。本實施例中，所述控制裝置設有系統(tǒng)控制失敗報警和保護模塊，當系統(tǒng)控制失敗(比如超出可控角度)，系統(tǒng)會自動停止并進行報警，防止系統(tǒng)損壞。如圖4所示，本發(fā)明還提供一種上述倒立擺系統(tǒng)的控制電路，用于控制裝置控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。包括電源接入模塊、無線通信模塊、鑒相器模塊、計數(shù)器模塊、控制器模塊以及雙電機驅(qū)動模塊，由電源接入模塊供電，分別輸入至無線通信模塊、鑒相器模塊、計數(shù)器模塊，各信號傳送至控制器模塊，控制器模塊將計算的控制信號輸出至雙電機驅(qū)動模塊，由電機輸出端口連接電機。電源接入模塊與控制器模塊之間設有電源檢測與電量指示模塊以及系統(tǒng)模式選擇與設置模塊?？刂齐娐返墓ぷ髟頌?br> 電源接入模塊該模塊主要為系統(tǒng)提供電源，系統(tǒng)各模塊需要不同電壓，比如控制器模塊需要+ 5V電壓，雙電機驅(qū)動模塊需要+ 12V電壓，因此需要分別供電并做好電氣隔離。本實施例中，使用線性穩(wěn)壓芯片LM2940將+ 12V電壓穩(wěn)壓至+ 5V電壓，供電給控制器模塊
坐寸ο電源檢測與電量指示模塊該模塊將電源電壓分壓、采樣、隔離、檢測并通過控制電源指示燈顯示相應的電量狀態(tài)。所用的主要器件為分壓電阻、電壓采樣傳感器、發(fā)光二極 管等。系統(tǒng)模式選擇與設置模塊系統(tǒng)設有離線控制和在線控制兩種模式。離線模式下不需要計算機，直接使用系統(tǒng)自存參數(shù)實現(xiàn)控制(包括手動上擺和自動上擺)，能用于演示。在線模式即通過計算機的人機交互平臺實現(xiàn)控制參數(shù)的實時傳輸和狀態(tài)量的實時監(jiān)測。該模塊使用撥碼鍵盤等進行模式設置，每個按鍵對應一個指示燈用于指示當前的選擇狀態(tài)。每個撥碼按鍵的功能已被預定義，根據(jù)意愿選擇和設置模式。無線通信模塊本實施例中，使用CCllOO無線通信模塊，能與計算機進行實時大量的數(shù)據(jù)交互，主要用作在線控制模式下的控制參數(shù)傳輸和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。鑒相器模塊本實施例中，使用D觸發(fā)器SN74HC74N設計成雙相編碼脈沖的鑒相器模塊，用于判斷當前擺桿倒向的方向和小車偏離原點的方向，并將相應的信號傳送給控制器模塊。計數(shù)器模塊本實施例中，使用CD4520，用于計數(shù)小車的位移脈沖，將計數(shù)的編碼值直接傳送到控制器模塊?？刂破髂K本實施例中，使用單片機MC9S12XS128，主要完成模式和狀態(tài)的外部設置值讀取，部分狀態(tài)指示的顯示，各物理量的測量值讀入，PWM控制信號的輸出等。雙電機驅(qū)動模塊使用半橋集成芯片BTS7970搭建H橋的驅(qū)動電路，通過控制器模塊輸出的PWM控制信號控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，進而控制小車的狀態(tài)。本發(fā)明以單片機MC9S12XS128為核心，單片機在初始時刻會讀取模式外部設置值并選擇進入相應的控制模式?？刂七^程中，單片機會不停的讀取系統(tǒng)各狀態(tài)物理量的測量值并使用相應的控制算法計算控制輸出。單片機將計算所得的PWM控制信號輸出到雙電機驅(qū)動模塊進而控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，通過電機控制小車狀態(tài)。如圖5所示，本發(fā)明同時還提供一種上述倒立擺系統(tǒng)的控制方法，依次包括以下步驟將控制參數(shù)輸入控制裝置；對擺桿進行擾動(如用手輕觸擺桿或在擺桿頂端加適量重物)；控制裝置控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，進而控制小車狀態(tài)，使擺桿偏離在可控角度內(nèi)；若超出可控角度，系統(tǒng)控制失敗報警。所述控制裝置的工作過程為
a、啟動系統(tǒng)，進行硬件及相關參數(shù)初始化，并采樣當前系統(tǒng)電池電量，檢測此刻電量是否充足。如果電量不足，系統(tǒng)進入自保護狀態(tài)，此時紅色電源指示燈不停閃爍，蜂鳴器長鳴報警提示充電。如果電量充足，系統(tǒng)進入下一步驟。b、系統(tǒng)模式選擇，此時控制器模塊讀取撥碼鍵盤設置值，選擇控制模式。
離線模式下，使用系統(tǒng)自存參數(shù)實現(xiàn)控制，系統(tǒng)讀取控制方式即手動上擺或自動上擺，然后等待按下啟動按鍵。手動上擺需先手動扶正擺桿，然后等待按下啟動按鍵捕捉零點。自動上擺則直接等待按下啟動按鍵自動捕捉零點。在線模式下，通過計算機人機交互平臺實現(xiàn)控制參數(shù)的實時傳輸和狀態(tài)量的實時監(jiān)測。等待計算機通信呼叫和連接，人機交互平臺的界面會出現(xiàn)相關信息提示通信連接是否成功。通信連接成功后，可進行控制參數(shù)的上傳和下載，下載完畢后系統(tǒng)會發(fā)出聲音提示，然后等待按下啟動按鍵。C、按下啟動按鍵，系統(tǒng)采集當前各物理狀態(tài)量并進行數(shù)字濾波等處理操作，根據(jù)狀態(tài)反饋計算控制輸出，輸出控制系統(tǒng)。d、系統(tǒng)根據(jù)當前采集的物理量值判斷是否在安全可控范圍內(nèi)，若超出可控范圍，系統(tǒng)進入保護狀態(tài)即停止控制，蜂鳴器長鳴提示，人機交互界面彈出相關提示窗口。若在可控范圍內(nèi)，系統(tǒng)再次進行步驟c。
圖6所示為本發(fā)明中人機交互平臺的界面，其使用方法為
區(qū)域①為通信配置區(qū)域，其中“串口”選項為當前通信模塊所占用的計算機口號，可由所用計算機設備管理器中查得；“ ID”選項為所要控制的裝置的通信地址，與控制裝置上的設置保持一致即可，也可任意設置。其中ID設為O時，系統(tǒng)僅進行控制參數(shù)的傳輸，不進行狀態(tài)量監(jiān)測的傳輸；“設備連接”選項用于建立控制裝置與計算機間的通信連接，連接成功則區(qū)域⑤顯示灰色字符“設備X (ID號)已連接”，否則一直顯示紅色字符“設備O未連接”。區(qū)域②為模式選擇及參數(shù)設置區(qū)域，其中“自動上擺”和“手動上擺”選項用來設置控制系統(tǒng)起擺方式；“位移反饋系數(shù)”、“速度反饋系數(shù)”、“角位移反饋系數(shù)”、“角速度反饋系數(shù)”等四個選項直接填寫控制參數(shù)。區(qū)域③為命令區(qū)域，其中“上載參數(shù)”選項為將當前控制裝置參數(shù)讀取并顯示在區(qū)域②中；“下載參數(shù)”選項為將區(qū)域②中設置好的控制模式和控制參數(shù)傳送到控制裝置中；“啟動”選項為啟動系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)接收，再次按下則變?yōu)椤巴Ｖ埂泵?，控制過程中任意時亥IJ按下即立即停止控制；“清除曲線”選項為將區(qū)域④中殘存的曲線清除。區(qū)域④為實時監(jiān)控曲線顯示區(qū)域，該區(qū)域分四個窗口，可同時分別接收系統(tǒng)的四個物理量，包括擺桿的角位移、擺桿的角速度、小車的位移、小車的速度的實時測量值并繪制實時曲線。本發(fā)明設備簡單，使用方便，成本相對較低，適用于控制理論的學習研究和實踐，為廣大控制理論學習者提供一個良好的實驗平臺，為深入研究控制理論提供一個完美的研究對象。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本發(fā)明的設計構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明做出的非實質(zhì)性修改，也均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種倒立擺系統(tǒng)，其特征在于，包括擺桿、角度測量編碼器、位移測量編碼器、電機、小車和控制裝置，所述擺桿、角度測量編碼器、位移測量編碼器均安裝在小車的車體平臺上，擺桿的前后各設有彈片，電機驅(qū)動小車的后輪，小車的前輪支撐車體平臺的平衡和移動，所述控制裝置控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。
2.根據(jù)權利要求I所述的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置設有電量檢測與電量指示模塊。
3.根據(jù)權利要求I所述的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置設有人機交互平臺。
4.根據(jù)權利要求3所述的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于，所述人機交互平臺設有系統(tǒng)模式選擇與設置模塊。
5.根據(jù)權利要求I所述的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置設有系統(tǒng)控制失敗報警和保護模塊。
6.一種倒立擺系統(tǒng)的控制電路，其特征在于，包括電源接入模塊、無線通信模塊、鑒相器模塊、計數(shù)器模塊、控制器模塊以及雙電機驅(qū)動模塊，由電源接入模塊供電，分別輸入至無線通信模塊、鑒相器模塊、計數(shù)器模塊，各信號傳送至控制器模塊，控制器模塊將計算的控制信號輸出至雙電機驅(qū)動模塊，由電機輸出端口連接電機。
7.根據(jù)權利要求6所述的控制電路，其特征在于，所述電源接入模塊和所述控制器模塊之間設有電源檢測與電量指示模塊。
8.根據(jù)權利要求6所述的控制電路，其特征在于，所述電源接入模塊和所述控制器模塊之間設有系統(tǒng)模式選擇與設置模塊。
9.一種權利要求I所述的倒立擺系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，依次包括以下步驟將控制參數(shù)輸入控制裝置；對擺桿進行擾動；控制裝置控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，進而控制小車狀態(tài)，使擺桿偏離在可控角度內(nèi)；若超出可控角度，系統(tǒng)控制失敗報警。
10.根據(jù)權利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制裝置的工作過程為 a、啟動，系統(tǒng)初始化，電量檢測，若電量不足則提示充電，若電量充足則進入下一步驟； b、系統(tǒng)模式選擇，離線模式下使用系統(tǒng)自存參數(shù)實現(xiàn)控制，在線模式下通過計算機人機交互平臺實現(xiàn)控制參數(shù)的實時傳輸和狀態(tài)量的實時監(jiān)測； C、按下啟動按鍵，系統(tǒng)采集當前各物理狀態(tài)量并進行數(shù)字濾波，根據(jù)狀態(tài)反饋計算控制輸出，輸出控制系統(tǒng)； d、判斷當前擺桿是否處于可控范圍，若超出可控范圍，系統(tǒng)自動停止并進行報警，若在可控范圍內(nèi)，則再次進行步驟c。
全文摘要
本發(fā)明提供一種倒立擺系統(tǒng)，包括擺桿、角度測量編碼器、位移測量編碼器、電機、小車和控制裝置，所述擺桿、角度測量編碼器、位移測量編碼器均安裝在小車的車體平臺上，擺桿的前后各設有彈片，電機驅(qū)動小車的后輪，小車的前輪支撐車體平臺的平衡和移動，所述控制裝置控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。本發(fā)明同時還提供上述倒立擺系統(tǒng)的控制電路和控制方法。本發(fā)明設備簡單，使用方便，成本相對較低，適用于控制理論的學習研究和實踐，為廣大控制理論學習者提供一個良好的實驗平臺，為深入研究控制理論提供一個完美的研究對象。
文檔編號G05D1/02GK102880181SQ20121032675
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權日2012年9月6日
發(fā)明者陳曦, 楊智, 陳健, 葉沃林 申請人:中山大學