单片机在倒立摆控制系统的应用.pdf
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2023-08-24
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单片机在倒立摆控制系统的应用单片机在倒立摆控制系统的应用
倒立摆作为一种典型的控制系统实验装置，具有非线性、自然不稳定等特性，常用来作为检验某种控制理论或方法是否合理的
典型方案。一阶倒立摆系统能用多种理论和方法来实现其稳定控制，如ＰＩＤ、自适应、状态反馈、模糊控制及人工神经元网
络等多种理论和方法都能在倒立摆系统控制上得到实现。
１、系统构成及工作原理１、系统构成及工作原理
图１为一阶旋转倒立摆结构示意图。直流电机作为唯一的动力装置，与旋臂保持刚性连接，带动旋臂在水平面内旋转，旋臂的
一端通过转轴（本系统选用电位器角度传感器）与摆杆连接，摆杆可做垂直于旋臂的圆周运动。在自然状态下，摆杆为竖直下
垂状态。倒立摆控制的目的是通过控制直流电动机的运动状态，使摆杆保持倒立状态。
图１倒立摆结构示意图
系统工作原理如下：摆杆摆动时，角度传感器检测摆杆的角度，根据角度传感器的输出特性，其输出电压经Ａ／Ｄ转换器转换
成电压数字量，该数字量与期望的值进行比较产生偏差，通过单片机对该偏差进行处理，即ＰＩＤ控制运算，根据运算结果产
生控制信号控制电机和旋臂的转动，使摆杆的角度与期望的角度更接近。
倒立摆控制系统结构框图如图２所示，单片机（５１单片机）为控制器，直流电机为执行器，倒立摆为被控对象，倒立摆角度
为被控量，角度传感器和模数转换器构成反馈回路。
图２倒立摆控制系统结构框图
２２ 倒立摆控制系统的硬件设计倒立摆控制系统的硬件设计
２．１单片机最小系统
该系统中选用了ＳＴＣ９０Ｃ５１单片机，该型单片机
具有以下特点：①八位ＭＣＵ核，与传统８０５１兼容；②大容量存储空间，包括６４ｋＢ程序空间，１２８０Ｂ
ＳＲＡＭ等；③具有４个八位并行Ｉ／Ｏ口，３个定时／计数器，２个外部中断源和１个全双工ＵＡＲＴ传输口；④５Ｖ供电
时，最高支持８０ＭＨｚ振荡频率，具备高速浮点运算能力，适合倒立摆系统等较为复杂的控制系统使用。５１单片机最小系
统如图３所示。
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