CN104035450A - 一种旋转倒立摆控制实验系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转倒立摆控制实验系统及控制方法。现有倒立摆控制系统价格昂贵，且多为老师所用，学生使用率低。本发明包括控制器、电机驱动模块、角度测量模块、PC机串口通信接口、电源模块和PC机，主控制器通过CH341串口接口与PC机连接，主控制器包括CH341串口接口、MCU模块、直流电机、LM298驱动模块、高精度电位器、LM3150电源芯片，主控制器中的MCU模块的I/O接口与CH341串口接口、直流电机、PC机、LM298驱动模块和高精度电位器连接。本发明具有可操作性、操作简单、安全性高、成本低的优点。

Description

一种旋转倒立摆控制实验系统及控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，主要是一种旋转倒立摆控制实验系统及控制方法。

背景技术

倒立摆由于其自身是一个绝对不稳定、多变量、强藕合的高阶一非线性系统而被广泛研究，其控制方法多种多样，在半学体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、针弹拦截控制系统、航空对接控制技术、火箭发射、卫星飞行等工程技术领域有着广阔的利用开发前景。例如，机器人直立行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直的控制和卫星飞行中姿态控制等问题，和倒立摆系统大同小异，均涉及到倒置问题。而且，倒立摆的控制方法对于我们处理一般工业工程，也有很大的借鉴。自动化类专业的自动控制原理实验一般基于MATLAB仿真平台实现，未能很好地和控制对象结合起来。并且没有将经典控制理论具体运用到实际对象上，不仅让学生不易理解其原理，而且易使学生失去学习兴趣。本课题将旋转倒立摆作为实验对象，更适合本科学生的课程教学实验，研究具有一定的创新性。

发明内容

本发明的目的是针对现今大学生理论性偏强，动手实践能力弱的现状，为学生提供一个经典控制理论的学习实践平台，加深其对自动化经典控制理论的理解，提高其理论性和实践动手能力，提出一种旋转倒立摆控制实验系统及控制方法。

一种旋转倒立摆控制实验系统，包括电位器测角度模块、控制驱动模块、角度监控模块；

电位器测角度模块使用型号为WDD35D-1的测角度模块，系统工作时将摆杆的角度通过电位器测角度模块转换为电压值得变化，然后传送给控制驱动模块进行处理；

控制驱动模块包括串口通信电路、MCU控制电路、功率放大电路；角度监控模块包括角度显示单元和参数设定单元；

电位器测角度模块的1脚与MCU控制电路的GND相连，2脚与MCU控制电路的PA4脚相连，3脚与MCU控制电路的VCC相连；串口通信电路的RXD脚与MCU控制电路的PA9脚相连，串口通信电路的TXD脚与MCU控制电路的PA10脚相连；功率放大电路的ENA脚与MCU控制电路的PB0脚相连，功率放大电路的IN1脚与MCU控制电路的PD4脚相连，功率放大电路的IN2脚与MCU控制电路的PD5脚相连；功率放大电路的OUT1和OUT2与电机的正负端相连；角度显示单元和参数设定单元通过一根USB串口线与串口通信电路的USB接口相连；

控制驱动模块接收来自电位器测角度模块的摆杆角度信息，再通过串口通信电路将摆杆角度信息发送给角度监控模块中的角度显示单元，用于显示摆杆角度信息；同时控制驱动模块接收来自角度监控模块中参数设定单元输入摆杆目标角度和控制参数信息，并将该信息与电位器测角度模块的摆杆角度信息做比较，并采用模糊控制算法，计算出当前的电机驱动量后调节电机转速，最终实现将摆杆控制到目标角度；

角度监控模块中的角度设定单元输入摆杆目标角度信息，角度监控模块将输入的目标角度信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据摆杆目标角度和当前角度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制电机转速；角度显示单元接收来自控制驱动模块的摆杆信息，用于显示摆杆的角度或运动轨迹；

串口通信电路包括第一USB转串口芯片U1、USB接口、第一晶振Y1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4；所述的第一USB转串口芯片U1型号为CH341；

第一USB转串口芯片芯片U1的6脚与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地；第一USB转串口芯片芯片U1的7脚与USB接口的D+脚相连接，8脚与USB接口的D-脚相连接；第一USB转串口芯片U1的9脚同时与第四电容C4的一端、第一晶振Y1的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一USB转串口芯片U1的19脚相连接并接地；第一USB转串口芯片U1的10脚同时与第一晶振Y1的另一端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第一USB转串口芯片U1的13脚与第一USB转串口芯片U1的20引脚、第二电容C2的一端相连接并同时接5V电压；第一USB转串口芯片U1的11脚与第一USB转串口芯片U1的12脚、第二电容C2的另一端相连接并接地；USB接口的VCC脚接5V电压，两个SHELL脚相互连接，GND脚接地；第一USB转串口芯片U1的1脚、2脚、5脚、14脚、15脚、16脚、17脚、18脚、19脚架空；

MCU控制电路包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第68脚和69脚分别与第一USB转串口芯片U1的4脚和3脚相连接；第二芯片U2的6脚、11脚、21脚、22脚、28脚、50脚、75脚和100脚接3.3V电压；第二芯片U2的10脚、19脚、20脚、27脚、49脚、74脚和99脚均接地；第二芯片U2文中未提到的其他引脚皆架空；

所述的第二芯片U2是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103VBT6，

功率放大电路包括的电机驱动芯片U3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一接口器J1；

电机驱动芯片U3的1脚接地，2脚同时与第一二极管D1的正端和第五二极管D5的负端相连并与第一接口器J1的一个引脚连接，3脚同时与第二二极管D2的正端和第六二极管D6的负端相连并与第一接口器J1的另一个引脚连接，第13引脚同时与第三二极管D3的正端和第七二极管D7的负端相连，第14引脚同时与第四二极管D4的正端和第八二极管D8的负端相连， 8脚、15脚同时与第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8的正端相连并接地；4脚与第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4的负端连接并接12V电源，9脚与5V电源相连，5脚与第二芯片的85脚相连，7脚与第二芯片的86脚相连，6脚与第二芯片的35相连， 6脚与第二芯片U2的35脚相连接；其余的引脚均浮空；

所述的电机驱动芯片U3型号为LM298；第一接口器J1型号为301-2P接线端子。

一种旋转倒立摆控制实验系统的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1. 对电位器测角度模块、控制驱动模块和角度监控模块进行初始化；

步骤2. 角度监控模块中的参数设定单元输入摆杆目标角度信息和控制参数，角度监控模块将输入的目标角度信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据摆杆目标角度和当前角度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制电机转速；

其中MCU控制电路具体工作如下：

打开MCU控制电路中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过功率放大电路驱动电机，使摆臂和摆杆摆动；同时电位器测角度模块开始测量摆杆的角度，并实时将数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过串口读取角度监控模块发送的摆杆目标角度信息，并对摆杆目标角度信息与摆杆当前角度进行比较，使用模糊PID算法对摆杆进行稳定控制；MCU控制电路实时检测角度监控模块发送的摆杆目标角度信息，并根据收到的摆杆目标角度信息随时更改模糊PID控制算法数据和控制摆臂的摆动；

步骤3. 电位器测量度模块时刻检测摆杆角度信息，并将摆杆角度信息发送给控制驱动模块，控制驱动模块再通过串口通信电路将摆杆角度信息发送给角度监控模块；角度监控模块中的角度显示单元显示摆杆角度信息。

本发明所具有的有益效果：

(1)传统经验了解到现有的倒立摆实验器材贵重，作为本科实验教学并不合适。本课题参照倒立摆实验系统，根据现有的材料，开发出控制简单，更加直观，更适合于本科学生教学的旋转倒立摆实验系统。

(2) 此平台可以有机地将自动控制原理、单片机等课程结合起来，给学生一个学以致用的实验平台，可以有效引导学生学会如何将所学知识相互融合，有利于学生培养解决实际问题的能力。

附图说明

图1是本发明的硬件连接框图；

图2是本发明的串口通信电路图；

图3是本发明的MCU控制电路图；

图4是本发明的功率放大电路图；

图5是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，一种旋转倒立摆控制实验系统，包括电位器测角度模块1、控制驱动模块、角度监控模块。

电位器测角度模块1使用型号为WDD35D-1的测角度模块，系统工作时将摆杆的角度通过电位器测角度模块1转换为电压值得变化，然后传送给控制驱动模块进行处理。

控制驱动模块包括串口通信电路2-1、MCU控制电路2-2、功率放大电路2-3。角度监控模块包括角度显示单元3-1和参数设定单元3-2。

电位器测角度模块1的1脚与MCU控制电路2-2的GND相连，2号脚与MCU控制电路2-2的PA4脚相连，3号脚与MCU控制电路2-2的VCC相连；串口通信电路2-1的RXD脚与MCU控制电路2-2的PA9脚相连，串口通信电路2-1的TXD脚与MCU控制电路2-2的PA10脚相连；功率放大电路2-3的ENA脚与MCU控制电路2-2的PB0脚相连，功率放大电路2-3的IN1脚与MCU控制电路2-2的PD4脚相连，功率放大电路2-3的IN2脚与MCU控制电路2-2的PD5脚相连；功率放大电路2-3的OUT1和OUT2与电机的正负端相连；角度显示单元3-1和参数设定单元3-2通过一根USB串口线与串口通信电路2-1的USB接口相连。

控制驱动模块接收来自电位器测角度模块的摆杆角度信息，再通过串口通信电路2-1将摆杆角度信息发送给角度监控模块中的角度显示单元3-1，用于显示摆杆角度信息；同时控制驱动模块接收来自角度监控模块中参数设定单元3-2输入摆杆目标角度和控制参数信息，并将该信息与电位器测角度模块的摆杆角度信息做比较，并采用模糊控制算法，计算出当前的电机驱动量后调节电机转速，最终实现将摆杆控制到目标角度。

角度监控模块中的角度设定单元3-2输入摆杆目标角度信息，角度监控模块将输入的目标角度信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路2-2，MCU控制电路2-2根据摆杆目标角度和当前角度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制电机转速；角度显示单元3-1接收来自控制驱动模块的摆杆信息，用于显示摆杆的角度或运动轨迹；

如图2所示，串口通信电路2-1包括第一USB转串口芯片U1、USB接口、第一晶振Y1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4。所述的第一USB转串口芯片U1型号为CH341；

第一USB转串口芯片芯片U1的6脚与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地；第一USB转串口芯片芯片U1的7脚与USB接口的D+脚相连接，8脚与USB接口的D-脚相连接；第一USB转串口芯片U1的9脚同时与第四电容C4的一端、第一晶振Y1的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一USB转串口芯片U1的19脚相连接并接地；第一USB转串口芯片U1的10脚同时与第一晶振Y1的另一端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第一USB转串口芯片U1的13脚与第一USB转串口芯片U1的20引脚、第二电容C2的一端相连接并同时接5V电压；第一USB转串口芯片U1的11脚与第一USB转串口芯片U1的12脚、第二电容C2的另一端相连接并接地；USB接口的VCC脚接5V电压，两个SHELL脚相互连接，GND脚接地。第一USB转串口芯片U1的1脚、2脚、5脚、14脚、15脚、16脚、17脚、18脚、19脚架空。

图3为MCU控制电路2-2，包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第68脚和69脚分别与第一USB转串口芯片U1的4脚和3脚相连接；第二芯片U2的6脚、11脚、21脚、22脚、28脚、50脚、75脚和100脚接3.3V电压；第二芯片U2的10脚、19脚、20脚、27脚、49脚、74脚和99脚均接地；第二芯片U2文中未提到的其他引脚皆架空。

所述的第二芯片U2是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103VBT6，负责协调整个系统的工作，包括电机驱动信号的输出、串口通信的实现和信号采集处理等。

如图4所示是功率放大电路2-3，包括的电机驱动芯片U3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一接口器J1；

电机驱动芯片U3的1脚接地，2脚同时与第一二极管D1的正端和第五二极管D5的负端相连并与第一接口器J1的一个引脚连接，3脚同时与第二二极管D2的正端和第六二极管D6的负端相连并与第一接口器J1的另一个引脚连接，第13引脚同时与第三二极管D3的正端和第七二极管D7的负端相连，第14引脚同时与第四二极管D4的正端和第八二极管D8的负端相连， 8脚、15脚同时与第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8的正端相连并接地；4脚与第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4的负端连接并接12V电源，9脚与5V电源相连，5脚与第二芯片的85脚相连，7脚与第二芯片的86脚相连，6脚与第二芯片的35相连， 6脚与第二芯片U2的35脚相连接；其余的引脚均浮空。

所述的电机驱动芯片U3型号为LM298,可以实现用单片机通过PWM信号控制电机转速的目的；

第一接口器J1型号为301-2P接线端子。

如图5所示，旋转倒立摆的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1. 对电位器测角度模块1、控制驱动模块、角度监控模块进行初始化；

步骤2. 角度监控模块中的参数设定单元3-2输入摆杆目标角度信息和控制参数，角度监控模块将输入的目标角度信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路2-2，MCU控制电路2-2根据摆杆目标角度和当前角度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制电机转速；

其中MCU控制电路2-2具体工作如下：

打开MCU控制电路2-2中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过功率放大电路2-3驱动电机，使摆臂和摆杆摆动。同时电位器测角度模块1开始测量摆杆的角度，并实时将数据传送给MCU控制电路2-2。同时MCU控制电路2-2通过串口读取角度监控模块发送的摆杆目标角度信息，并对摆杆目标角度信息与摆杆当前角度进行比较，使用模糊PID算法对摆杆进行稳定控制。MCU控制电路2-2实时检测角度监控模块发送的摆杆目标角度信息，并根据收到的摆杆目标角度信息随时更改模糊PID控制算法数据和控制摆臂的摆动。

步骤3. 电位器测量度模块1时刻检测摆杆角度信息，并将摆杆角度信息发送给控制驱动模块，控制驱动模块再通过串口通信电路2-1将摆杆角度信息发送给角度监控模块；角度监控模块中的角度显示单元显示摆杆角度信息。

所述的角度监控模块包括角度显示单元3-1和参数设定单元3-2。

角度显示单元3-1接收来自控制驱动模块的摆杆信息，用于显示摆杆的角度或运动轨迹；参数设定单元3-2用于设定摆杆的目标角度，并将摆杆目标角度信息发送给控制驱动模块。

参数设定单元3-2可以将角度和控制参数来设定摆杆的目标角度。设定时，可以直接在角度输入框内输入需要设定的角度，在控制参数栏中输入设定的控制参数，点击确认按键即可。参数设定单元3-2在检测到确认按键后，会读取角度输入框内的数字和参数设定栏的数字，产生相应的控制指令发送给控制驱动模块。

本发明主要是角度设定单元3-2设定摆杆的的角度和控制参数数据，通过串口得到其当前信息并显示在角度显示单元3-1。电位器测量度模块1将摆杆的角度信息通过控制驱动模块传给角度显示单元3-1，控制驱动模块通过模糊PID算法和其模块内的功率放大电路控制摆杆的运动，使其按目标角度信息规定进行相应的运动。

Claims (2)

1.一种旋转倒立摆控制实验系统，包括电位器测角度模块、控制驱动模块、角度监控模块；其特征在于：

电位器测角度模块使用型号为WDD35D-1的测角度模块，系统工作时将摆杆的角度通过电位器测角度模块转换为电压值得变化，然后传送给控制驱动模块进行处理；

控制驱动模块包括串口通信电路、MCU控制电路、功率放大电路；角度监控模块包括角度显示单元和参数设定单元；

电位器测角度模块的1脚与MCU控制电路的GND相连，2脚与MCU控制电路的PA4脚相连，3脚与MCU控制电路的VCC相连；串口通信电路的RXD脚与MCU控制电路的PA9脚相连，串口通信电路的TXD脚与MCU控制电路的PA10脚相连；功率放大电路的ENA脚与MCU控制电路的PB0脚相连，功率放大电路的IN1脚与MCU控制电路的PD4脚相连，功率放大电路的IN2脚与MCU控制电路的PD5脚相连；功率放大电路的OUT1和OUT2与电机的正负端相连；角度显示单元和参数设定单元通过一根USB串口线与串口通信电路的USB接口相连；

串口通信电路包括第一USB转串口芯片U1、USB接口、第一晶振Y1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4；所述的第一USB转串口芯片U1型号为CH341；

第一USB转串口芯片芯片U1的6脚与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地；第一USB转串口芯片芯片U1的7脚与USB接口的D+脚相连接，8脚与USB接口的D-脚相连接；第一USB转串口芯片U1的9脚同时与第四电容C4的一端、第一晶振Y1的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一USB转串口芯片U1的19脚相连接并接地；第一USB转串口芯片U1的10脚同时与第一晶振Y1的另一端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第一USB转串口芯片U1的13脚与第一USB转串口芯片U1的20引脚、第二电容C2的一端相连接并同时接5V电压；第一USB转串口芯片U1的11脚与第一USB转串口芯片U1的12脚、第二电容C2的另一端相连接并接地；USB接口的VCC脚接5V电压，两个SHELL脚相互连接，GND脚接地；第一USB转串口芯片U1的1脚、2脚、5脚、14脚、15脚、16脚、17脚、18脚、19脚架空；

MCU控制电路包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第68脚和69脚分别与第一USB转串口芯片U1的4脚和3脚相连接；第二芯片U2的6脚、11脚、21脚、22脚、28脚、50脚、75脚和100脚接3.3V电压；第二芯片U2的10脚、19脚、20脚、27脚、49脚、74脚和99脚均接地；第二芯片U2文中未提到的其他引脚皆架空；

所述的第二芯片U2是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103VBT6，

功率放大电路包括的电机驱动芯片U3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一接口器J1；

电机驱动芯片U3的1脚接地，2脚同时与第一二极管D1的正端和第五二极管D5的负端相连并与第一接口器J1的一个引脚连接，3脚同时与第二二极管D2的正端和第六二极管D6的负端相连并与第一接口器J1的另一个引脚连接，第13引脚同时与第三二极管D3的正端和第七二极管D7的负端相连，第14引脚同时与第四二极管D4的正端和第八二极管D8的负端相连， 8脚、15脚同时与第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8的正端相连并接地；4脚与第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4的负端连接并接12V电源，9脚与5V电源相连，5脚与第二芯片的85脚相连，7脚与第二芯片的86脚相连，6脚与第二芯片的35相连， 6脚与第二芯片U2的35脚相连接；其余的引脚均浮空；

所述的电机驱动芯片U3型号为LM298；第一接口器J1型号为301-2P接线端子。

2.根据权利要求1所述的一种旋转倒立摆控制实验系统，该系统的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1. 对电位器测角度模块、控制驱动模块和角度监控模块进行初始化；

步骤2. 角度监控模块中的参数设定单元输入摆杆目标角度信息和控制参数，角度监控模块将输入的目标角度信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据摆杆目标角度和当前角度计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制电机转速；

其中MCU控制电路具体工作如下：

打开MCU控制电路中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过功率放大电路驱动电机，使摆臂和摆杆摆动；同时电位器测角度模块开始测量摆杆的角度，并实时将数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过串口读取角度监控模块发送的摆杆目标角度信息，并对摆杆目标角度信息与摆杆当前角度进行比较，使用模糊PID算法对摆杆进行稳定控制；MCU控制电路实时检测角度监控模块发送的摆杆目标角度信息，并根据收到的摆杆目标角度信息随时更改模糊PID控制算法数据和控制摆臂的摆动；

步骤3. 电位器测量度模块时刻检测摆杆角度信息，并将摆杆角度信息发送给控制驱动模块，控制驱动模块再通过串口通信电路将摆杆角度信息发送给角度监控模块；角度监控模块中的角度显示单元显示摆杆角度信息。