[发明专利]一种旋转倒立摆控制实验系统及控制方法

说明书

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；