基于自由摆的平板控制系统(B_题)

竞赛题号：B

题

基于自由摆的平板控制系统（B题）

摘要

本系统以宏晶科技推出的STC89C52RC单片机为系统的控制核心，选用高精度SCA60C单轴倾角传感器作为角度测量装置，通过ADC0807模数转换器将角度传感器采集的电压信号转换成数字量送给单片机处理，单片机的数条端口线直接去控制28BYJ48步进电动机的各相驱动电路，无环形分配器，驱动系统采用ULN2003AN驱动器。控制系统发出时钟脉冲的频率或换相周期实现对步进机运行速度的控制，以实现基本部分和发挥部分的要求。

关键字：STC89C52RC单片机，ADC0807模数转换器，SCA60C单轴倾角传感器，28BYJ48步进电动机，ULN2003AN驱动器

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目录

引言 (1)

一、总体方案设计 (2)

1.1方案比较与选择 (2)

1.1.1核心芯片和算法的确定： (2)

1.1.2传感器的选择： (2)

1.2系统总体方案描述 (3)

二、电路分析与设计 (4)

2.1数据采集模块 (4)

2.1.1SCA60C单轴倾角传感器 (4)

2.1.2模数转换器 (5)

2.2控制驱动模块 (6)

2.2.1单片机最小系统电路 (6)

2.2.2驱动电路 (7)

三、软件设计 (7)

3.1数据采集模式 (7)

3.2控制驱动模块 (8)

3.3人际互动模式 (8)

四、结论 (8)

参考资料 (9)

附录 (9)

引言

随着计算机软件技术水平的不断提高和电子技术突飞猛进的发展，测控技术在社会生产生活中发挥着无法估量的重要作用。近年来，新型微处理器的速度不断提高，采用流水线、RISC结构和cachE等先进技术，又极大提高了计算机的数值处理能力和速度。在数据采集方面，数据采集卡、仪器放大器、数字信号处理芯片等技术的不断升级和更新，也有效地加快了数据采集的速率和效率。与计算机技术紧密结合，已是当今仪器与测控技术发展的主潮流。对微机化仪器作一具体分析后，不难见，配以相应软件和硬件的计算机将能够完成许多仪器、仪表的功能，实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。这样的现代仪器设备的功能已不再由按钮和开关的数量来限定，而是取决于其中存储器内装有软件的多少。

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从这个意义上可认为，计算机与现代仪器设备日渐趋同，两者间已表现出全局意义上的相通性。据此，有人提出了“计算机就是仪器,软件就是仪器”的概念。本系统作为测控技术中一个基于自由摆的平板控制系统，设计目标在于以此为参考对测控技术作简单阐述。

一、总体方案设计

1.1方案比较与选择

仔细分析题目得知，保证自由摆在摆动过程中保持平板的相对平衡是本题的一大难点，重点设计应在于控制系统的的核心设计（核心芯片和算法设计）和角度的测量，同时考虑到所学知识的范围，要从以下方案中选择：

1.1.1核心芯片和算法的确定：

方案一：FPGA控制。由FPGA来完成采集和信号处理等底层的核心计算。

方案二：单片机控制。由单片机来完成信号调理、采集和信号处理等底层的核心计算。方案二的优点在于传统的单片机应用为广大用户所熟知，其机械操控简单，有比较完备的指令系统，同其他芯片的衔接方便而且程序的编写相对容易。对于完成简单的测控系统绰绰有余。

1.1.2传感器的选择：

方案一：MMA7455加速度传感器。可将MMA7455加速度传感器固定在平板下方，让加速度传感器得到的加速度值，通过PID算法控制步进电机，使得平板上物体有其额定方向的加速度，实现系统平衡。

方案二：SCA60C单轴倾角传感器。同样可将其固定在摆杆上，测量摆杆与竖直方向的夹角，实现对数据的采集类似于MMA7455。

本系统选用方案二，原因在于MMA7455在应用过程中容易发生抖动，使得平板不稳定严重影响到实验结果。相对SCA60C是一种角度精确度比较高的传感器，抗冲击能力强，能耗低更适合平衡小车和单摆系统等，更容易实现题设要求。

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1.2系统总体方案描述

本系统采用STC89C52作为数据处理和控制核心，将设计任务划分为数据采集模块、控制驱动模块、步进电机和自由摆本体、人际互动模块等几大部分。在系统中，可通过角度传感器的反馈获得摆杆的旋转倾角，控制驱动模块实时读取传感器反馈的数据，确定控制决策(电机应该向哪个方向转动、转动速度、加速度等)，同时控制模块通过处理器内部的PID控制算法实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，从而带动被控对象运动，达到目标运动状态。系统整体框图如图一

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数据采集模块由传感器电路和模数转换电路等共同组成，完成模拟信号到数字信号的转换。SCA60C单轴倾角传感器作为检测系统的信息反馈通道，主要是对自由摆摆杆垂直方向倾斜角度的检测。将角度传感器自由摆的摆杆相连，摆杆摆动对应的角度变化与传感器的电位变化成比例，输出电压通过模数转换器转换成单片机能够识别的有效电平。

控制驱动模块是平板控制系统的核心部分。接收来自通过模数转换器的角度相对应的电平数据，根据给定的控制算法计算出控制量，控制量加载到驱动芯片ULN2003AN完成对电动机转速和方向的控制。

电动机和自由摆本体完成对该项比赛的具体任务要求。

人机交互模块由LCD、发光二极管以及键盘电路组成；LCD1602作为信息显示，键盘电路选用4×4矩阵键盘，方便功能扩展。

二、电路分析与设计

2.1数据采集模块

2.1.1SCA60C单轴倾角传感器

传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成，其中敏感元件感受被测量，并将被测非电信号按一定对应关系转换为易于转换为电信号的另一种非电量；转换元件将敏感元件输出的非电信号转换成电信号(包括电参量和电能量转换)：转换电路将转换元件输出的电量信号转换为便一于显示、处理、传输的电信号。为了实现高精度的倾角检测，本次设计使用高精度SCA60C单轴倾角传感器。具体引脚连接，见图二

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2.1.2模数转换器

AD 转换器是采集系统的核心，在整个系统中占有重要的地位。通过转换，将信息由模拟信号转换成数字信号。图三为ADC 输入通道的保护电路。因为ADC 允许的输入范围是0～3V ，为了防止电压大范围的波动，在AD 输入端加一限压保护电路，通常采用钳位保护二极管。为了抑制串入ADC 输入信号上的干扰，要进行低通或带通滤波。RC 滤波是最常见也是成本最低的一种选择，并且电阻R

还起到限流作用。见图三

2.2控制驱动模块

2.2.1单片机最小系统电路

最小系统电路是单片机能工作所必需的电路结构，包括CPU、I/O口、时钟、复位电路、晶振以及起振电容。见图四

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2.2.2驱动电路

驱动电路由ARM 控制器一个输出作为脉冲控制信号CLK-X ，另选一IO 口作为方向控制信号CW-X 。隔离放大后的CLK 、CW 作为ULN2003AN 驱动器的输入控制信号。控制板和电机驱动板采用分别供电的方式进行电源隔离，利用光耦传输信号，可以将电动机工作造成的干扰彻底消除，提高系统稳定性。ULN2003AN 的逻辑输入电压为5V 。

三、软件设计

3.1数据采集模式

首先让输入电压经过ADC0807将模拟量转换为数字量。由传感器电路和

A

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／D 转换电路两部分组成，采样电路结构框图如图五，该过程相应程序见附录。

3.2控制驱动模块

控制驱动模块以STC89C52RC 为核心，将收到的数字量通过PID 算法处理。

系统对步进机加减速控制实际上就是改变输出脉冲的频率。步进电机的驱动控制器主要由脉冲发生器、脉冲分配器

(环形分配器)和功率放大器等环节组成，如图六。PID 算法和控制程序见附录。

3.3人际互动模式

通过按键控制切换不同的任务功能，同时通过1602显示传达信息给操控者，使得其能做出相应的判断。基本程序见附录。

四、结论

设计完成了题目的基本部分的大部分要求。为实现题设功能，系统划分为四大模块：数据采集模块、控制驱动模块、电动机与自由摆以及人机交互模块。在基本部分这些模块均达设定的任务要求。由于准备不充分发挥部分未能按时完

成。

通过我们加深了对模拟电路理论，自动控制理论，单片机理论的掌握，特别是对系统和工程的概念有了深刻的理解，为以后进行相关方面的设计打下了基础，同时也提高了自己动手处理实际问题能力，一定程度上改变了我们在以前的学习中普遍存在的“重理论，轻动手”的不合理的学习习惯。在设计调试过程中我们小组成员积极对待，分工合作，合理规划，共同努力，最终完成了这次设计。

最后，我们对这次大赛的各级组委会及辅导老师表示感谢。

参考资料

[1]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社.2007.

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京：北京航天航空大学出版社.2006.

[3]朱秀梅.基于Cortex-M3ARM的自由摆平衡控制系统的研究[J].东南大学.2010

[4]朱发西、施亿生.计算机辅助实验系统[J].上海交通大学学报.1991.

附录

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简易风力摆报告设计

设计了一个简易风力摆控制装置，由直流风机组，陀螺仪，直流减速电机以及激光笔等组成。以MSP430F14单片机为核心，用PW波控制控制电机转速，调节风力大小，并以四个风机上下与左右同面两两并在一起对碳素管及激光笔进行工作，使细杆及激光笔在 风机的作用下可进行自由摆动且进一步可控摆动在地上划线，具有很好的重复性，并且可 以设定摆动方向且画短线，已经能够在将风力摆拉起一定角度放开后可以在规定时间内达到平衡。 关键词：风力控制摆、陀螺仪、轴流风机、PWM B速、MSP43C单片机 风力摆控制系统（B题） 1方案设计与选择 1.1设计内容 要求一个下端悬挂有（2~4只）直流风机的细管上端固定在结构支架上，只由风机提供动力，构成一个风力摆，风力摆上安装一个向下的激光笔。通过单片机代码指令控制驱动风机使风力摆按照一定的规律运动，并使激光笔在地面画出要求的轨迹，风力摆结构图如图1所示。 图1风力摆结构图 1.2设计要求 1.2.1基本要求 （1）从静止开始，15s内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，其线性度偏差不大于土 2.5cm，并且具有较好的重复性； ⑵从静止开始，15s内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm间可设置，长度偏差不大于土 2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性； （3）可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画

出不短于20cm的直线段; (4)将风力摆拉起一定角度(30~45 ° )放开，5s内使风力摆制动达到静止状态。 1.2.2发挥部分 (1) 以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s内 需重复3次；圆半径可在15~35cm范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径 ± 2.5cm的圆环内； (2) 在发挥部分(1)后继续作圆周运动，在距离风力摆1~2m距离内用一台50~60W台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹5s后停止，风力摆能够在5s内恢复发挥部分(1)规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹； (3) 其他。 2总体方案设计与选择 2.1单片机选择 方案一：采用STC89S51芯片，该款芯片具有高性能低功耗的特点，具有32位输入/ 输出，可以实现处理、存储等功能⑴，但是其灵活性不高，需实时保护软件现场，否则易丢失信息，存储能力较弱。 方案二：采用MSP430F14芯片，该款芯片具有高性能，低功耗的特点，其抗干扰能力比较强，存储空间较大，稳定性较强。 二者比较之下，选择方案二作为此次设计的核心控制部分。 2.2直流风机选择 方案一：采用12V 4.5A的轴流风机，风力很大，可以将自身轻松吹起，但是体积较大，质量较重。 方案二：采用12V 1.5A的小风机，体积小，质量轻。但是风力足够大，单电机产生 的风力可吹起4个相同电机

单级倒立摆系统的分析与设计

单级倒立摆系统的分析与设计 小组成员：武锦张东瀛杨姣 李邦志胡友辉 一．倒立摆系统简介 倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其研究具有重大的理论和实践意义。由于倒立摆系统本身所具有的上述特点，使它成为人们深入学习、研究和证实各种控制理论有效性的实验系统。 单级倒立摆系统（Simple Inverted Pendulum System）是一种广泛应用的物理模型，其结构和飞机着陆、火箭飞行及机器人的关节运动等有很多相似之处，因而对倒立摆系统平衡的控制方法在航空及机器人等领域有着广泛的用途，倒立摆控制理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器入技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。 倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。最初研究开始于二十世纪50年代，单级倒立摆可以看作是一个火箭模型，相比之下二阶倒立摆就复杂得多。1972年，Sturgen等采用线性模拟电路实现了对二级倒立摆的控制。目前，一级倒立摆控制的仿真或实物系统已广泛用于教学。 二．系统建模 1．单级倒立摆系统的物理模型 图1：单级倒立摆系统的物理模型

单级倒立摆系统是如下的物理模型：在惯性参考系下的光滑水平平面上，放置一个可以在平行于纸面方向左右自由移动的小车（cart ），一根刚性的摆杆（pendulum leg ）通过其末端的一个不计摩擦的固定连接点（flex Joint ）与小车相连构成一个倒立摆。倒立摆和小车共同构成了单级倒立摆系统。倒立摆可以在平行于纸面180°的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的摄动下摆杆仍然保持竖直向上状态。在小车静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆受到微小的摄动时就会发生不可逆转的破坏而使倒立摆无法复位，这时必须使小车在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。依照惯性参考系下的牛顿力学原理，作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，单级倒立摆系统是一个非线性系统。 各个参数的物理意义为： M — 小车的质量 m — 倒立摆的质量 F — 作用到小车上的水平驱动力 L — 倒立摆的长度 x — 小车的位置 θ— 某一时刻摆角 整个倒立摆系统就受到重力、驱动力和摩擦阻力的三个外力的共同作用。这里，驱动力F 是由连接小车的传动装置提供，控制倒立摆的稳定实际上就是依靠控制驱动力F 使小车在水平面上做与倒立摆运动相关的特定运动。为了简化模型以利于仿真，假设小车与导轨以及摆杆与小车铰链之间的摩擦均为0。 2．单级倒立摆系统的数学模型 令小车的水平位移为x ，运动速度为v ，加速度a 。 小车的动能为212kc E Mx =，选择特定的参考平面使得小车的势能为0。 摆杆的长度为L ，某时刻摆角为θ，在摆杆上与固定连接点距离为q （0

自由摆的控制系统

2011年全国电子设计大赛基于自由摆的平板控制系统（B题） 2011年9月4日 目录

1 方案的设计与论证 (2) 1.1控制芯片的选择 (3) 1.2电机的选择 (3) 1.3角度传感器的选择 (3) 2 实际电路设计 (3) 2.1最小系统 (4) 2.2系统组成原理 (4) 2.3角度移位传感器 (4) 2.4电机控制和驱动 (5) 2.5显示模块 (6) 2.6按键模块 (6) 2.7电源模块 (6) 3 实际软件设计 (5) 3.1软件程序功能描述 (6) 3.2程序流程图 (5) 4 实际系统的测试结果 (6) 4.1 测试仪器 (6) 4.2测试数据 (6) 4.3误差分析 (7) 5 创新部分 (7) 6 设计总结 (7) 7 附录 (8) 附1：部分元器件清单 (8) 附2：原理图 (8) 附3：部分程序清单 (8)

摘要：为了对自由摆的平板控制系统的要求，我们进行了各方面的精 细筛选最终我们选择了TI公司的MSP430F149单片机作为我们的系统控制核心,它具有16位的处理数据，处理数据快，内含8个12位高精度AD。在电机驱动方面应用了TA8435H来驱动双直流的步进电机来控制平板。系统的显示是采用了12864，，显示清晰可观，美观大方。在采集数据方面我们应用了高精度的角位移传感器WDD35D4。我们的系统的软硬件设计都是采用了模块化的设计思想。. 最终实验证明，系统完全可以达到设计的要求，完成了基本部分和发挥部分的要求。本系统在设计当中还力求了低功耗高性价比等。 关键字：MSP430F149 TA8435H 12864 WDD35D4

简易风力摆报告设计

摘要 设计了一个简易风力摆控制装置，由直流风机组，陀螺仪，直流减速电机以及激光笔等组成。以MSP430F149单片机为核心，用PWM波控制控制电机转速，调节风力大小，并以四个风机上下与左右同面两两并在一起对碳素管及激光笔进行工作，使细杆及激光笔在风机的作用下可进行自由摆动且进一步可控摆动在地上划线，具有很好的重复性，并且可以设定摆动方向且画短线，已经能够在将风力摆拉起一定角度放开后可以在规定时间内达到平衡。 关键词：风力控制摆、陀螺仪、轴流风机、PWM调速、MSP430单片机

风力摆控制系统（B题） 1方案设计与选择 1.1设计内容 要求一个下端悬挂有(2~4只)直流风机的细管上端固定在结构支架上，只由风机提供动力，构成一个风力摆，风力摆上安装一个向下的激光笔。通过单片机代码指令控制驱动风机使风力摆按照一定的规律运动，并使激光笔在地面画出要求的轨迹，风力摆结构图如图1所示。 图1风力摆结构图 1.2设计要求 1.2.1基本要求 (1)从静止开始，15s 内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm 的直线段，其线性度偏差不大于±2.5cm，并且具有较好的重复性； (2)从静止开始，15s 内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm 间可设置，长度偏差不大于±2.5cm 的直线段，并且具有较好的重复性； (3)可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s 内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm 的直线段； (4)将风力摆拉起一定角度(30~45°)放开，5s 内使风力摆制动达到静止状态。 1.2.2发挥部分 (1)以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s 内需重

基于STM32的风力摆控制系统的设计

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/5514694681.html, 基于STM32的风力摆控制系统的设计 作者：黄一珀丁斌董杨潘嘉睿 来源：《中国新通信》2016年第22期 【摘要】该风力摆控制系统是由单片机控制核心、ADXL345 数字三轴重力加速度芯片、直流电机、电机驱动模块以及液晶显示模块几个部分构成的闭环系统。利用单片机产生不同占空比的PWM波给驱动模块让其产生正弦波驱动为电机提供工作电压，运用相位合成和占空比调节实现对风力摆的运动轨迹控制，通过实际数据试验出风力摆的控制规律，稳定的完成了风力摆的直线运动和曲线运动要求。 【关键词】正弦波角度传感器直流电机 一、设计方案及原理分析 本系统由机械结构、控制模块、电机驱动模块、摆杆角度测量模块、电机和电源等组成，下面分别论证一下几个模块的选择。 1.1机械结构的设计方案 风力摆控制系统是一个完整的测量控制系统，其中的机械结构则是这个测控系统的对象，对象的好坏在很大程度上会影响到后期控制算法的设计，对象制作的越稳定可靠，系统的性能就会越好。所以在制作这样一个精密控制系统的时候，前期的机械结构的制作是非常关键的一步，在制作的时候要尽量确保它的稳定性，例如选用合适的材料、采用尽量好的制作工艺等。该风力摆控制系统中，机械结构大概分成以下几部分，风机、摆杆、摆杆转轴、底座和激光笔。 1.2控制模块方案 采用STM32F103单片机作为主控芯片。STM32F103基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex—M3内核，强大的定时、中断功能，方便对传感器模块和电机的控制，可以快速进行复杂的运算。同时具有大容量的RAM和ROM，可存储大容量的程 序。编程时可以直接调用库函数，提高编程效率。能够较为迅速的从传感器中采集数据进行处理，并快速反馈给电机进行下一步动作。 1.3电机驱动模块方案 采用L298N驱动。L298N是一种全桥驱动芯片，它响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，结合单片机可实现对电机速度的精确控制，调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频率的负载冲击，还可以实现频率的无级快速启动、制动和反转。

SVS触摸屏控制系统说明书

SVS（迅控） ——触摸屏可编程控制系统—— 安 装 使 用 手 册 触摸屏可编程多媒体中控系统安装使用手册2003 [09]

绪言 感谢您购买和使用SVS(迅控)的产品在使用本机前请细阅这本用户手册以便能正确使用并且请妥善保存这本手册万一有不了解或故障时这本手册会带给您很大的帮助。 ST-6000/8000/9000可编程触摸屏控制系统(Touch Pannel Control System)是最新开发的高科技产品，是继面板控制和计算机控制之后的第三种控制方式既有简单面板所无法达到的灵活性又没有计算机维护成本过高的缺点是理想的升级换代产品。 ST-6000/8000/9000采用了LCD和触摸屏作为显示和控制接口所有界面全部是图形用户界面(GUI)用户只须用手指点选显示的按钮即可完成操作十分直观简便5.7"的可视面积和320X240的点阵解析度使图形显示得十分清晰再加上256 种颜色可以显示更多更细致的图片色彩亮丽由于有了高亮度的背光用户即使在明亮的地方也可以清楚地看到整个画面输入设备触摸屏具有良好的灵敏度使用户的操作流畅自如。 此触摸屏控制系统的一个显著特点是用户可编程随机提供了一套桌面电脑软件用于编ST-6000/8000/9000控制器的所有界面通过使用这套软件用户能够可视化地自由定义每一个操作界面设置界面中控件的外观和各种信息代码以及控制界面切换的顺序等这套软件具有即时下载功能即随时可以把编辑好的界面工程下载到ST-6000/8000/9000 控制器上真正实现了所见即所得。 此触摸屏控制系统具有红外学习功能可以学习各种遥控器的红外代码储存在闪存中用来替代遥控器控制各种电器 ST-6000/8000/9000的红外学习具载波频率识别功能能够准确地识别各种复杂的红外代码。 ST-6000/8000/9000内置自主开发的实时操作系统运行稳定软件接口丰富。 ST-6000/8000/9000接口灵活适用于各种多媒体中央控制系统控制器上内置了标准RS-232 接口可选RS-485 接口和红外线接受发射端口无线接口能够方便地与计算机外接系统和各种电器进行通信实现实时控制。 ST-6000/8000/9000和中央控制器配套使用它可自动控制投影仪电视机VCD/DVD机、录音机、录像机、电脑、音响、电动屏幕、电动窗帘、灯光等设备使室内的多种电器实现智能一体化控制可广泛应用于会议厅演示厅电教室家居自动化控制及其他控制。

2011年电子设计竞赛_基于自由摆的平板控制系统【龙哥,尧总,portia】

基于自由摆的平板控制系统 一、总体方案设计 1.主控系统选择 方案一：使用传统51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以实现复杂的算法。 方案二：使用FPGA，CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率很高，运算速度很快，但不适合于该题目。 方案三：使用基于ARM Cortex-M3内核的EasyARM1138单片机，它有8通道10位ADC，使用方便且低功耗。 方案比较：综合比较，选择方案三。 2.角度测量 方案一：使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围为±15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。 方案二：使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。 方案三：使用Angtron-RE-38-V-Lite旋转编码器，角度测量范围为0~360°，根据不同角度，可直接输出不同的电压值，线性度好。 方案比较：对于方案一，虽然SCA103T精度较高，但它是基于加速度原理进行测量，使用SCA103T进行倾角检测时，应保证被测设备匀速运动，否则会引进误差，而在自由摆系统中，平板不是匀速运动。虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但较繁琐。对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如22HP-10等，价格较高。对于方案三，使用该旋转编码器，可以直接对输出电压进行AD采样，计算得出角度值，使用方便。综合考虑，选择方案三测量自由摆运动过程中的摆角。 3.电机选择 方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适合闭环控制。 方案二：使用步进电机作为执行元件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制。 方案比较：对于方案一，虽然伺服电机性能良好，但价格较高。对于方案二，步进电机可以通过16细分可以减弱低频振动，控制方便，开环性能良好，可以适用于该设计。综合考虑，选择方案二。 4.松手检测 方案一：软件检测，用手推动摆杆至一定角度θ，通过AD采样测得θ，若程序检测到θ开始减小，说明推动摆杆的手已经松开，步进电机可以开始调整平板角度。

风力摆控制系统设计报告

2015 全国大学生电子设计竞赛 风力摆控制系统（B题） 【本科组】 2015年8月15日

摘要：本设计是基于STM32F103VE单片机为核心的简易风力摆控制系统，该系统由电源供电模块，直流风机及驱动模块、角度检测模块、信息处理模块、继电器及驱动模块、蜂鸣指示模块和液晶显示模块构成。STM32F103VE通过改变PWM占空比来实现对直流风机速度及方向的控制，该风力摆控制系统能够实现题目要求，简单做直线运动、复杂做圆周运动。 关键字：风力摆角度传感器单片机自动控制系统 一．方案论证： 1.系统结构 1）机械结构如图1所示。 一长约67cm的吸管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂4只直流风机，中间安装陀螺仪，构成一风力摆。风力摆下安装一向下的激光笔，静止时，激光笔下端距离地面18cm。 图 1 2）测控电路结构 测控电路结构如图2所示。 编码器按键

图2 2.方案比较与选择 其实整体电路架构上图已经给定，主要是几个关键部分————直流风机选型及架构、直流风机驱动电路、传感器、主控芯片选择，我们分析如下： 1）直流风机的选型 方案一：采样大电流成品直流风机，虽然风力够大，但驱动多个风机所需电流过大，单个电源难以满足要求，而且比较重，多个电机使得惯性过大难以控制。鉴于以上两点，弃用。 方案二：采用小型高速电机加螺旋桨自制直流风机，风力大，体积小，质量轻，而且性价比高。 风力摆控制系统风机质量轻，减小惯性，容易起摆；风力大，风速控制范围大，摆动角度大；体积小，减少外部的干扰；鉴于以上几点，本设计采用方案二。 STM32微处理器 角度传感器 直流风机 电机驱动电路 风机供电 OLED 液晶显示 蜂鸣器

一阶倒立摆控制系统

一阶直线倒立摆系统 姓名： 班级： 学号：

目录 摘要 (3) 第一部分单阶倒立摆系统建模 (4) （一）对象模型 (4) （二）电动机、驱动器及机械传动装置的模型 (6) 第二部分单阶倒立摆系统分析 (7) 第三部分单阶倒立摆系统控制 (11) （一）内环控制器的设计 (11) （二）外环控制器的设计 (14) 第四部分单阶倒立摆系统仿真结果 (16) 系统的simulink仿真 (16)

摘要： 该问题源自对于娱乐型”独轮自行车机器人”的控制，实验中对该系统进行系统仿真，通过对该实物模型的理论分析与实物仿真实验研究，有助于实现对独轮自行车机器人的有效控制。 控制理论中把此问题归结为“一阶直线倒立摆控制问题”。另外，诸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、卫星飞行中的姿态控制、海上钻井平台的稳定控制、飞机安全着陆控制等均涉及到倒立摆的控制问题。 实验中通过检测小车位置与摆杆的摆动角，来适当控制驱动电动机拖动力的大小，控制器由一台工业控制计算机（IPC）完成。实验将借助于“Simulink封装技术——子系统”，在模型验证的基础上，采用双闭环PID控制方案，实现倒立摆位置伺服控制的数字仿真实验。实验过程涉及对系统的建模、对系统的分析以及对系统的控制等步骤，最终得出实验结果。仿真实验结果不仅证明了PID方案对系统平衡控制的有效性，同时也展示了它们的控制品质和特性。 第一部分单阶倒立摆系统建模

（一） 对象模型 由于此问题为”单一刚性铰链、两自由度动力学问题”，因此，依据经典力学的牛顿定律即可满足要求。 如图1.1所示，设小车的质量为0m ，倒立摆均匀杆的质量为m ，摆长为2l ，摆的偏角为θ，小车的位移为x ，作用在小车上的水平方向上的力为F ，1O 为摆杆的质心。 图1.1 一阶倒立摆的物理模型 根据刚体绕定轴转动的动力学微分方程，转动惯量与角加速度乘积等于作用于刚体主动力对该轴力矩的代数和，则 1）摆杆绕其重心的转动方程为 sin cos y x l F J F l θθθ=-&& （1-1） 2）摆杆重心的水平运动可描述为 2 2(sin )x d F m x l dt θ=+ （1-2） 3）摆杆重心在垂直方向上的运动可描述为 2 2(cos )y d F mg m l dt θ-= （1-3） 4）小车水平方向运动可描述为 202x d x F F m dt -= （1-4）

基于自由摆的平板控制系统(最终),2011年全国大学生电子设计竞赛

2011年全国大学生电子设计竞赛 基于自由摆的平板控制系统（B题） 【本科组】 2011年9月3日

摘要 采用ATmage16 avr单片机作为主控芯片的基于自由摆的平板控制系统。利用高精度的电位器和单片机的片内模数转换器测量自由摆的摆动角度。ULN2003N 达林顿阵列驱动，1/16倍速的减速步进电机控制平板的转动。能够实现根据摆杆角度平板转动相应角度、摆杆摆动一周期平板转动一圈、控制平板使得摆杆摆动时平板上的硬币不滑落、平板上的激光笔在摆杆摆动一定角度后照射到靶子中心线等要求。 关键词：自由摆 AVR单片机电位器减速步进电机

目录 1系统方案 (1) 1.1中央处理器的论证与选择 (1) 1.2电机驱动模块的论证与选择 (1) 1.3摆杆角度测量模块的论证与选择 (2) 2系统理论分析与计算 (2) 2.1系统理论的分析 (2) 2.1.1 摆杆旋转角度的获取 (2) 2.1.2 平板旋转角度的控制 (3) 2.1.3 步进电机转动控制 (4) 2.2摆杆斜角度的计算 (4) 2.3步进电机的计算 (4) 2.3.1 摆杆摆动三周电机的转动 (4) 2.3.2摆动摆杆通过电机控制平板使硬币不从平板上掉落 (4) 2.3.3摆杆固定时控制激光笔 (4) 2.3.4摆杆摆动时电机控制激光笔 (4) 3电路与程序设计 (5) 3.1电路的设计 (5) 3.1.1系统总体框图 (5) 3.1.2 摆杆角度检测子系统框图与电路原理图 (5) 3.1.3步进电机驱动子系统电路原理图 (6) 3.1.4电源 (6) 3.2程序的设计 (7) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (7) 3.2.2程序流程图 (7) 4测试方案与测试结果 (9) 4.1测试方案 (9) 4.2测试方式与仪器 (9) 4.3测试结果及分析 (9) 4.3.1测试结果(数据) (9) 4.3.2测试分析与结论 (10) 附录1：电路原理图 (11) 附录2：完整测试数据 (12) 附录3：源程序 (13)

风力摆控制系统设计报告

风力摆控制系统设计报 告 文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）

大学生电子设计竞赛 风力摆控制系统 学院: 计算机学院 项目：风力摆控制系统 负责人：王贤朝 指导老师：张保定 时间： 2017年5月20日

摘要 本系统采用K60开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风机（无刷电机+扇叶）、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速度分配的双闭环调速系统。单片机输出可变的PWM波给电机调速器，控制4个方向上风机的风速，从而产生大小不同的力。利用加速度计模块MPU6050，准确测出摆杆移动的位置与中心点位置之间的关系，采样后反馈给单片机，使风机及时矫正，防止脱离运动轨迹。使用指南针模块判别方向，控制系统向指定方向偏移。控制方式采用PID算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、指定方向偏移，具有很好地稳定性。 关键词：K60、空心杯电机、MPU6050、PID、无线蓝牙 目录

风力摆控制系统（B题） 【本科组】 一、系统方案 系统基本方案 控制方案设计 为了实现题目要求我们采用K60单片机做为主控芯片，用加速度计陀螺仪模块MPU6050来计算角度和风机状态，用直流风机带动摆杆运动。当MPU6050检测到摆杆的角度时，可根据三角函数公式计算出摆杆现在距离中心的具体位置（方向、距离），单片机会控制PWM波的输出大小来控制风机的风速与方向，使摆杆达到在特定位置静止或按照一定的轨迹运动。当摆杆处于自然下垂状态时，给四个风机同时上电且风向都向外，此时摆杆仍处于受力平衡——静止状态。此时降低X轴上一个风机的转速，摆杆将会带动激光头在X轴上画一条直线，当达到一定的倾斜角度时，单片机可根据角度计算出此时距离中心的距离是否>=25cm，若达到要求后，此风机减速，X轴反方向上电机逐渐加速，恢复到初始速度，反方向做相同的运动。在此过程中，单片机做出A/D采样，Y轴方向方向风机随时做出矫正，防止发生轨迹偏移。 机械结构方案设计 由于摆杆长度（60cm~70cm）较长，且要求激光头在地面画出15cm~35cm的圆，所以要求横杆的距离要足够长。横杆长度较长加之摆杆重量较大，所以要求底座要有足够的重量来支撑整个系统。如果结构不稳或者重量不够，摆杆运动过程中将会产生倾倒或者抖动等现象，影响测试结果。于是，底座采用了“工”型结构，保证了整个系统的稳定性。摆杆材料方面，我们选用轻便的硬

风力摆控制系统论文

风力摆控制系统 摘要：本系统采用STM32F103ZET6单片机作为控制核心，通过对置于风力摆上的MPU9150陀螺仪采集的角度进行处理得到角度与风力摆位置的关系，再通过驱动输出PWM波控制轴流风机，使风力摆到达指定的位置，做规定的圆周运动。本系统通过PID调试，测试表明，各项功能已达到或超过本题目要求。 关键词：MPU9150；PID；轴流风机

1.系统方案 本系统主要由主控制器，陀螺仪，电机驱动模块，轴流风机，激光笔组成，下面分别对这几个模块进行选择与论证。 1.1陀螺仪的选择 方案一：MPU6050。 9轴运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字数字运动处理器DMP，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。但零飘较严重。 方案二：角度传感器。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0。角度传感器一般测静态的角度，倾角用加速度计。明显在本系统中角度传感器不如陀螺仪方便使用。 方案三：MPU9150。MPU-9150 是采用系统级封装 (SiP)，集合了两个芯片：MPU-6050 和 3 轴数字罗盘 AK8975，其中 MPU-6050 包含 3 轴陀螺仪、3 轴加速计以及能够处理复杂 9 轴 MotionFusion 算法的板载Digital Motion Processor? (DMP?) 。这款元件集成 9 轴 MotionFusion 算法，能够访问所有内部传感器，以收集全套传感器数据。MPU9150测转角的速度的，可以积分得到转的角度，动态性能好，静态差，零飘基本无，很适合本系统。 综合考虑后决定采用方案三。 1.2轴流风机的选择 方案一：四线可测速、包含温控PWM调速轴流风机。此种轴流风机一般重量较大，启动时间长，虽然风量大但明显不适合本系统的实时检测调整的思路。 方案二：三线可测速轴流风机。此种轴流风机重量较轻，启动时间短，直接接驱动即可对其进行控速，风量也很大，比较符合题目各项要求的时间限制。 综合考虑后决定采用方案二。

基于自由摆的平板控制系统设计报告

基于自由摆的平板控制系统设计报告 摘要 基于自由摆的平板系统设计是设计基于STC12C5A6S2为核心的控制系统,采用电位器作为角度传感器采集自由摆倾角的信息,采用步进电机作为调整平板，当摆角变化时，电位器传给单片机内部AD一个电压值，单片机通过内部计算，得出角度值，通过角度值，计算出相应指令给传给L298N控制步进电机运转来调整平板，实现平板控制系统与摆杆的协调。

一、系统设计 1.1设计要求 a.控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（3~5 周），摆杆摆一个周期，平板旋转一周（360o），偏差绝对值不大于45°。 b.在平板上粘贴一张画有一组间距为1cm 平行线的打印纸。用手推动摆 杆至一个角度θ（θ在30o～45o间），调整平板角度，在平板中心稳 定放置一枚1 元硬币（人民币）；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆 杆摆动过程中，要求控制平板状态，使硬币在5 个摆动周期中不从平 板上滑落，并尽量少滑离平板的中心位置。 c.用手推动摆杆至一个角度θ（θ在45o～60o间），调整平板角度，在 平板中心稳定叠放8 枚1 元硬币，见图2；启动后放开摆杆让其自由 摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的5 个摆 动周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态。根据平板上非保持叠放 状态及滑落的硬币数计算成绩。 d.如图3 所示，在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm 距离 处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高 度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。用手推动 摆杆至一个角度θ（θ在30o～60o间），启动后，系统应在15 秒钟内 控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏差绝对值＜1cm），完成时 以LED 指示。根据光斑偏离中心线的距离计算成绩，超时则视为失败。

单级倒立摆经典控制系统

单级倒立摆经典控制系统 摘要：倒立摆控制系统虽然作为热门研究课题之一，但见于资料上的大多采用现代控制方法，本课题的目的就是要用经典的方法对单级倒立摆设计控制器进行探索。本文以经典控制理论为基础，建立小车倒立摆系统的数学模型，使用PID控制法设计出确定参数(摆长和摆杆质量)下的控制器使系统稳定，并利用MATLAB软件进行仿真。 关键词：单级倒立摆；经典控制；数学模型；PID控制器；MATLAB 1绪论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。 控制理论在几十年中，迅速经历了从经典理论到现代理论再到智能控制理论的阶段，并有众多的分支和研究发展方向。 1.1经典控制理论 控制理论的发展，起于“经典控制理论”。早期最有代表性的自动控制系统是18世纪的蒸汽机调速器。20世纪前，主要集中在温度、压力、液位、转速等控制。20世纪起，应用范围扩大到电压、电流的反馈控制，频率调节，锅炉控制，电机转速控制等。二战期间，为设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统及其他基于反馈原理的军用装备，促进了自动控制理论的发展。

至二战结束时，经典控制理论形成以传递函数为基础的理论体系，主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析问题。经典控制理论的研究对象是线性单输入单输出系统，用常系数微分方程来描述。它包含利用各种曲线图的频率响应法和利用拉普拉斯变换求解微分方程的时域分析法。这些方法现在仍是人们学习控制理论的入门之道。 1.2倒立摆 1.2.1倒立摆的概念 图1 一级倒立摆装置 倒立摆是处于倒置不稳定状态，人为控制使其处于动态平衡的一种摆。如杂技演员顶杆的物理机制可简化为一级倒立摆系统，是一个复杂、多变量、存在严重非线性、非自治不稳定系统。

探析触摸屏的功能及应用

探析触摸屏的功能及应用 【摘要】本文介绍了触摸屏在工业控制领域的应用与plc在应用过程中的相关问题，最后对触摸屏画面的设计进行介绍。 【关键词】触摸屏；plc；画面设计；闭环控制 触摸屏是一种新型可编程控制终端，是新一代高科技人机界面产品，适用于现场控制，可靠性高，编程简单，使用维护方便。plc 有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点。触摸屏结合plc在闭环控制的变频节能系统中的应用是一种自动控制的趋势。触摸屏和plc在闭环控制的变频节能系统中的使用，可以让操作者在触摸屏中直接设定目标值（压力及温度等），通过plc与实际值（传感器的测量值）进行比较运算，直接向变频节能系统发出运算指令（模拟信号），调节变频器的输出频率。 一、闭环控制的变频节能系统的用途 闭环控制的变频节能系统用途很广，各种场合的变频节能系统的拖动方式及控制方式各有不同，具体应用时应根据实际情况选择设计。下面列举一些：中央空调节能：冷冻泵、冷却泵、主机、却塔风机、风机盘管等。恒压供水：水厂一、二级泵，供水管网增压泵、大厦供水水泵等。锅炉：引风机、送风机、给水泵等，变频节能系统的控制调节预处理信号由锅炉自动控制系统、dcs或多冲量控制系统给出。

二、整个闭环控制的变频节能系统的组成设备及其作用 （1）plc选用siemens公司的s7-200系列。由cpu224xp、di/do 模块、ai/ao模块组成。plc作为控制单元，是整个系统的控制核心。其主要的作用要体现以下几方面：一是完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换。二是完成对整个系统的逻辑控制及pid调节的运算。三是向触摸屏提供所采集及处理的数据，并执行触摸屏发出的各种指令。四是将pid运算的数据结果转换成模拟信号，作为调节变频器的输出频率的控制信号。五是通过通信电缆及uss4协议完成对变频器内部参数读写及控制。（2）触摸屏采用 siemens公司mp370。其主要作用如下：一是可实时显示设备和系统的运行状态。二是通过触摸向plc发出指令和数据，再通过plc 完成对系统或设备的控制。三是可做成多幅多种监控画面，替代了传统的电气操作盘及显示记录仪表等，且功能更加强大。（3）变频器。采用siemens公司440系列，通过uss4协议可由触摸屏通过plc设置其内部的部分参数，根据plc发送过来的数据（模拟量）值调节水泵或风机的转速，并将其内部运行参数反馈到plc。（4）压力、温度等传感器。将被控制系统（水系统或风系统）的实际参数值转变成电信号上传至plc。（5）电气元件。给plc、触摸屏、变频器及传感器等供电，完成各种操作及驱动等。 三、触摸屏画面设计

风力摆论文

论文 题目:风力摆控制系统设计 学生：庞刚 学号：201206070422 院（系）：电气与信息工程学院 专业：自动化124 指导教师：郑恩让 2016年 1 月 4 日

风力摆控制系统 庞刚 （陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021） 摘要：本组选择的是2015年大学生电子竞赛B题——风力摆控制系统。针对于题目基础部分与发挥部分要求，设计了一个以飞思卡尔公司单片机MK60为控制单元、2对垂直放置的轴流风机组为执行器单元、陀螺仪传感器和加速度传感器以信息融合方式实现的（角度）传感器单元形成了一个三维空间的闭环控制系统（风力摆控制系统）。在此基础上首先利用空间矢量法将被控量投影到X和Y 两个独立坐标上，分别利用相互独立的PID、FUZZY等控制方法实现风力摆系统系列动作。实验表明：本竞赛小组设计制作的风力摆系统能够以较高的精度完成各种任务。 关键词：风力摆，MK60，轴流风机，角度传感器，空间矢量法，PID Wind pendulum control system P ANG Gang (Shaanxi University of Science & Technology, Academy of electronic information and electrical engineering ,ShanXi Xi’an 710021) Abstract: The Undergraduate Electronic Competition in this group chose B question - Wind pendulum control system. For the base portion and play in the title part of the requirements, we designed a Freescale microcontroller MK60 control unit, two pairs of vertically disposed axial air units for the actuator unit, a gyro sensor and an acceleration sensor information fusion way to achieve (angle) sensor units form a closed loop control system of a three-dimensional space (wind pendulum control system). Firstly, on the basis of space vector will be charged the amount projected onto X and Y coordinates of two separate, independent of one another, respectively PID, FUZZY and other control methods to achieve a wind pendulum series of actions. Experimental results show that: The race team designed a wind pendulum system with high accuracy can complete various tasks. Keywords: Wind swing, MK60, axial fans, angle sensors, space vector, PID 1 方案论证 首先我们对该系统的结构及风力摆运 动控制方案的比较论证。

小车倒立摆系统开题报告

开题报告填表说明 1.开题报告是毕业设计（论文）过程规范管理的重要环节，是培养学生严谨务实工作作风的重要手段，是学生进行毕业设计（论文）的工作方案，是学生进行毕业设计（论文）工作的依据。 2.学生选定毕业设计（论文）题目后，与指导教师进行充分讨论协商，对题意进行较为深入的了解，基本确定工作过程思路，并根据课题要求查阅、收集文献资料，进行毕业实习（社会调查、现场考察、实验室试验等），在此基础上进行开题报告。 3.课题的目的意义，应说明对某一学科发展的意义以及某些理论研究所带来的经济、社会效益等。 4.文献综述是开题报告的重要组成部分，是在广泛查阅国内外有关文献资料后，对与本人所承担课题研究有关方面已取得的成就及尚存的问题进行简要综述，并提出自己对一些问题的看法。 5.研究的内容，要具体写出在哪些方面开展研究，要突出重点，实事求是，所规定的内容经过努力在规定的时间内可以完成。 6.在开始工作前，学生应在指导教师帮助下确定并熟悉研究方法。 7.在研究过程中如要做社会调查、实验或在计算机上进行工作，应详细说明使用的仪器设备、耗材及使用的时间及数量。 8.课题分阶段进度计划，应按研究内容分阶段落实具体时间、地点、工作内容和阶段成果等，以便于有计划地开展工作。 9.开题报告应在指导教师指导下进行填写，指导教师不能包办代替。 10.开题报告要按学生所在系规定的方式进行报告，经系主任批准后方可进行下一步的研究（或设计）工作。 一、课题的目的意义： 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，只有采取行之有效的控制方法方能使之稳定。 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美国问世以来已有几十年的历史，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，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题。 文献综述（分析国内外研究现状、提出问题，找到研究课题的切入点，附主要参考文献，约2000字）： 倒立摆系统的最初分析开始于二十世纪五十年代，是一个比较复杂的不稳定，多变量，带有强耦合特性的高阶机械系统。倒立摆系统存在严重的不确定性，一方面是系统的参数的不确定性，一方面是系统受到不确定因素的干扰。其控制方法和思路在处理一般工业过程中有很广泛的用途，此外，其相关的研究成果也在航天科技和机器人学习方面得到了大量的应用，如机器人行走过程中平衡控制，火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等，因此，倒立摆系统是进行控制理论研究的理想平台。 倒立摆是机器人技术﹑控制理论﹑计算机控制等多个领域﹑多种技术的有机结合，其被控

风力摆控制系统 设计报告

摘要：本系统主要是以STM32单片机为控制芯片控制4只直流轴流风机，从而调节风机转速来控制使风力摆呈现不同状态的控制系统。该系统主要由主控板，无线遥控器，直流轴流风机，摆架框架等四大部分组成风力摆控制系统。 关键字：风力摆无线 STM32单片机直流轴流风机

一．系统方案 1.系统方案论证 本系统主要由遥控模块、控制模块、陀螺仪模块、直流轴流风机组成，添加一些辅助电路作为扩展功能。系统工作有六种工作模式，使用无线遥控切换模式并显示。下面分别论证这几个模块的选择。 1.1直流风机的论证与选择 方案一：使用直流鼓风机。直流鼓风机的机械摩擦非常小，具有较大的精度，并能提供足够的风力进行运动。但在实验过程中，风机启动速度较慢，且由于其自身重量过大，风摆在运动过程中受惯性影响极大，不能有效的完成任务要求。 方案二：采用直流轴流风机。直流轴流风机是在固定位置使空气流动，自身重量和体积都比较小，且出风口大，能够很好的提供动力与控制。在实验过程中能够较快的启动，并能较好的实现任务要求，符合实验需要。 综合以上两种方案，风力摆在运动过程中需要进行实时控制摆杆的姿态，且需要风机启停反应快，故选择方案二。 1.2控制器模块的论证与选择 根据设计要求，控制器主要用于计算摆杆姿态、控制直流轴流风机PWM、使摆杆能完成相应等功能。 方案一：采用STC89C51作为系统控制器。它的技术成熟，成本低。STC89C51是8位的单片机，数据传输速度慢，在用于精密的操作时，不能满足实时控制的要求，且复杂的控制算法难以实现，不利于控制。 方案二：采用意法半导体公司的STM32F103单片机作为控制器。STM32系列单片机是32位、RISC、低功耗的处理器。在进行高精密的操作时，处理能力非常强，运算速度快，具有很好的控制能力，且成本低，更符合实验要求。 综合考虑以上两种方案，采用方案二。 2.系统结构 根据上述方案的论证，我们确定以STC32F103作为控制核心，采用型号为PFB0812XHE的直流轴风机控制摆杆运动，用陀螺仪MPU6050检测状态数据，并将采集到的数据传输给控制板，然后通过单片机计算处理得出摆杆的姿态并调整直