2013年全国电子设计大赛题目简易旋转倒立摆及控制装置(C题-).pdf

2013年全国电子设计大赛的题目是“简易旋转倒立摆及控制装置”，这一题目涉及到的是控制理论与应用，特别是机械控制系统的分析与设计。在详细解析该题目之前，先对旋转倒立摆的基本原理进行阐述。 倒立摆是一种典型的非线性、不稳定的动态系统，它通常由一个可移动的基座和一个垂直悬挂的摆杆组成。基座的运动受到控制，其目的是保持摆杆稳定在垂直位置。由于摆杆在无控制的情况下倾向于倒下，因此需要通过一套控制算法，来不断调整基座的位置，以补偿摆杆的偏转。 接下来，对于这个电子设计竞赛的题目，可以详细解析以下几个方面： 一、题目要求 1. 基本要求包括： - 从摆杆处于自然下垂状态开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°到+60°。 - 尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动。 - 在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5秒；期间旋转臂的转动角度不大于90°。 2. 发挥部分要求包括： - 控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于10秒。 - 在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2秒内恢复倒立。 - 在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转立状态；摆角达到或超过360°。 二、说明和限制条件 1. 机械部分必须自制，结构要求如下： - 摆杆通过转轴连接在旋转臂边缘，并有具体距离和尺寸要求。 - 摆杆的横截面为圆形或正方形，尺寸有具体限制。 - 允许使用传感器检测摆杆状态，但不得影响其转动灵活性。 2. 摆杆要求能够自由旋转，有具体的检验方法。 3. 除了电动机外，装置中不得有其他动力部件。 4. 摆杆的自然下垂状态和倒立状态有具体的定义和角度限制。 三、评分标准 评分标准涵盖了从系统方案的制定、理论分析与计算、电动机选型、摆杆状态检测、驱动与控制算法、电路与程序设计、设计报告的结构及规范性等方面进行评价。每个部分的分值权重不同，充分反映了对学生在设计和实施过程中综合能力的考核。 四、实施步骤 1. 设计与制作过程需要学生首先理解倒立摆的物理特性以及控制需求，然后进行系统方案的制定和结构设计。 2. 需要选择合适的电动机以及摆杆状态的检测方式，可能需要设计电路和编写控制程序。 3. 在制作过程中，还需要考虑如何快速准确地完成题目的要求，比如摆杆摆动幅度的增大、倒立状态的稳定保持、对外部干扰的响应能力等。 4. 测试和调试是不可少的环节，需要设计合理的测试方案，对摆杆的运动状态进行记录，并根据测试结果对系统进行调整和优化。 这个设计题目要求参赛者将控制理论知识与实际电子制作相结合，不仅需要对倒立摆的动态系统有深入的理解，而且要在设计、制作和调试过程中运用系统工程的思想，实现一个高效、准确且稳定的控制装置。这不仅考验了参赛者的综合能力，也为他们提供了展示创新思维和工程实践能力的平台。