毕业设计论文-基于c8051单片机的圆轨倒立摆控制系统设计.pdf

东北大学硕士学位论文基于C8051单片机的圆轨倒立摆控制系统设计姓名:张凤众申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:孙萍;徐心和20050101要摘基于テ脑补斓沽诳刂葡低成杓治隽丝刂葡低车墓δ芤G螅贫俗芴迳杓品桨福⑾晗覆龅沽东北大学硕士学位论文倒立摆系统是一个多变量、强耦合、严重非线性的自然不稳定系统,必须采用计算机控制的方法才能使之稳定。其控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的应用,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均涉及类似倒立的问题,因此对倒立摆系统的研究在理论和应用方面有着重要意义。本文应用单片机杓屏嗽补斓沽诳刂葡低场V饕M瓿梢韵赂飨罟ぷ鳎治隽斯谕饪刂频沽谙低车那榭觯蛞=樯芰薈テ特点、发展和应用。摆控制系统的硬件设计和软件设计过程。硬件设计分为处理器、电机驱动、疍转换、疉转换、电源以及其它单元;软件设计分为初始化、主程序和子程序等三个模块。τ米钣趴刂评砺凵杓屏讼嘤Φ目刂破鳎迪至嗽补煲患兜沽诘陌起和二级倒立摆的平衡控制。幽芰康慕嵌韧频嫉グ诘陌谄鸹恚迪至嗽补煲患兜沽诘淖远起。幽芰康慕嵌韧频级诘陌谄鸹恚隽硕兜沽诎谄鹂刂品抡曲线。关键词:圆轨倒立摆テ钣趴刂闭环摆起控制能量反馈摘要,.篟东北大学硕士学位论文,.琣畁猺,.瑃篿—,疍,疉,甀珻,琫.●裳兰兽:作者签名:苏凤厶\学位论文作者签名:扎独创性声明学位论文版权使用授权书本人声明所呈交的论文是在导师的悉心指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做出的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。日期:年本学位论文作者和指导老师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。缱髡吆偷际ν馔辖涣鳎朐谙路角┟环裨蚴游2煌狻签字日期:。\导师签名:、。第一章绪论倒立摆系统研究的理论意义倒立摆系统特性倒立摆及其控制模型类似杂技中的顶杆表演,这种表演之所以为人们熟悉,相关。它深刻提示了自然界一种基本规律,即一个自然不稳定的被控对象,通过的物理机制可简化为一个倒置的倒立摆,也就是人们常称之为倒立摆或一级倒立摆系统。在控制理论发展的过程中,某一理论的正确性及实际应用中的可行性题及跟踪问题等。倒立摆系统作为一个实验装置,形象直观,结构简单,构件组成的控制方法方能使之稳定。倒立摆系统稳定效果非常明了,可以通过摆动的角美国问世以来已有三十多年的历史,但机器人的关键技术至今仍未很好解决。由于倒立摆系统的稳定与空间飞行器控制和各类伺服云台的稳定有很大相似性,窍咝缘沽谑且桓龅湫偷姆窍咝愿丛酉低场J导手锌梢酝ü咝蝗范ㄐ灾饕J悄P臀蟛钜约盎荡ǘ湎叮髦肿枇Φ龋导士东北大学硕士学位论文不仅在于表演者的精湛技艺,更重要的是其物理结构与控制系统的稳定性密切控制手段可使之具有良好的稳定性。这一规律已成为当今航空航天器设计的基本思想,即牺牲飞行器的自然稳定性来确保它的机动性。不难看出杂技演员顶杆需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。倒立摆就是这样一个被控制对象。倒立摆本身是一个自然不稳定体,在控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题,如非线性问题、系统的鲁棒性问题、随动问题、镇定问参数和形状易于改变,成本低廉;作为一个被控对象,它又相当复杂,就其本身而言,是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统,只有采取行之有效度、位移和稳定时间直接度量、控制好坏一目了然。理论是工程的先导,倒立摆的研究具有重要的工程背景。机器人行走类似倒立摆系统,尽管第一台机器人在也是日常生活中所见到的任何重心在上、支点在下的控制问题的抽象。因此,倒立摆机理的研究又具有重要的应用价值,成为控制理论中经久不衰的研究课虽然倒立摆形式和结构各异,但所有的倒立摆都具有以下的特性:化得到系统的近似模型,线性化处理后再进行控制,也可以利用非线性控制理论对其进行控制,倒立摆的非线性控制正成为一个研究的热点。第一章绪论题。倒立摆的种类利用滚珠轴承减少摩擦阻力等不确定因素。;凡晃榷ㄐ缘沽诘奈榷ㄗ刺挥辛礁觯丛诖怪毕蛏系淖刺垂直向下的状态,其中垂直向上为自然不稳定的平衡点,垂直向下为稳定的平为制造方便和降低成本,倒立摆的结构尺寸和电机功率都尽量要求最小,行程限制对于倒立摆的摆起尤为突出,容易出现小车的撞边现象。倒立摆的以上特第一章绪论制中一般通过减少各种误差,如通过施加预紧力减少皮带或齿轮的传动误差,钐ㄐ缘沽诘母骷栋诟酥洌约昂驮硕?橹涠加泻芮康鸟合关系,倒立摆的控制中一