终极版电子大赛说明书Word文档格式.docx
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3.1.3电源９
3.2程序的设计９
3.2.1程序功能描述与设计思路１２
3.2.2程序流程图１３
4测试方案与测试结果１３
4.1测试方案１３
4.2测试条件与仪器１４
4.3测试结果及分析１４
4.3.1测试结果（数据）１４
4.3.2测试分析与结论１４
附录1：
电路原理图１６
附录2：
源程序１７
1系统方案
本系统主要由控制模块、电机模块、传感器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1电机的论证与选择
方案一：
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角速度可以精确的定位，可以实现旋转角度的精确定位，虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急速下降，其转速较低，不适用于对于倒立摆等有一定速度要求的系统。
方案二：
舵机由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位，其精度不能达到倒立摆要求，且结构复杂，不易控制。
方案三：
直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两端控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则转速越高。
对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用ＰＷＭ调速方法。
ＰＷＭ调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比，实现对电机转速的调节。
综合以上三种方案，选择方案三使用直流电机作为驱动电机。
1.2传感器的论证与选择
角度传感器采用特殊形状的转子和线绕线圈，模拟线性可变差动传感器（LVDT）的线性位移，有较高的可靠性和性能，角度传感器也有非绝对编码，是增量输出的，如果没有起始脉冲专门信道，就要用自己外加初始定位传感器，一般用红外的标准产品，精度比较低。
线绕式电位仪这种位移传感器在私服系统中用作位移反馈原件，其结构简单输出信号大，使用方便，价格低廉，但过大的阶跃电压会引起系统震荡，因此在电位器的制作中必须尽量减小每匝的电阻值，且易磨损。
陀螺仪作为一种惯性测量器件，是惯性导航，惯性制导，惯性测量系统的核心部件，是一个角速度检测器件，以模拟的为例，输出电压的大小和角速度成比例，把AD采集到的离散角速度信号，经过离散时间积分，就得到了角度，其功耗低，漂移小，精度高，线性度好。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.3控制系统的论证与选择
以AVR单片机为平台，可利用118条指令，此单片较复杂，运行速度更快，采用双总线方式工作，适合更加复杂的运算环境，但是本系统运算相对简单，运用此单片机浪费资源。
以５１单片机为平台，它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，其功能十分完备。
它的I/O设置和引脚使用非常简单，运行速度快，应用广泛，体积小，成本低廉。
综合以上考虑采用方案二。
2系统理论分析与计算
2.1PID控制的分析
2.1.1PID控制简介
PID控制器是根据系统的误差，利用误差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出控制量。
其中广义被控对象包括调节阀、被控对象和测量变送元件。
PID控制的基本组成都非常简单，其优点包括：
适应性强、鲁棒性强以及对模型依赖少。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器产品已经很多，并在工程中得到了广泛的应用，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
包括利用PID控制实现压力、温度、流量、液位控制器以及能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。
而可编程控制器（PLC）则是利用其闭环控制模块来实现PID控制。
2.1.2PID控制各部分的特点
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
1、比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
2、积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3、微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.1.3PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
通常一般采用的是临界比例法。
利用临界比例法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
2.2PID算法的计算
2.2.1PID算法的确立
因为倒立摆是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰，需要给系统设计控制器，该系统为闭环控制系统，故可采用PID控制算法。
2.2.2PID算法基本原理
在模拟控制系统中，控制器最常用的控制方法是PID控制，PID控制系统原理框图如图1所示，系统由PID控制器和被控对象组成。
图1常规PID控制系统原理框图
2.2.3PID算法的理论计算
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin（t）与实际输出值yout（t）构成控制偏差：
error（t）=rin（t）-yout（t）
简单说来，PID控制器各教正环节的作用如下：
（1）比例环节：
成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
（2）积分环节：
主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数IT，IT越大，积分作用越弱，反之则越强。
（3）微分环节：
反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变的太大之前，在系统中引入一个有效的修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
2.3倒立摆模型的基本计算
2.3.1定义实验变量
在忽略了空气流动，各种摩擦之后，可将倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如下所示：
图2小车和匀质杆运动系统
我们在实验中定义如下变量：
M小车质量
M摆杆质量
b小车摩擦系数
1白干转动轴心到杆质心的长度
I摆杆惯量
F加在小车上的力
X小车位置
k摆杆与垂直向上的夹角
摆杆与垂直向下的夹角
2.3.2对系统受力分析
图3小车受力图
分析小车水平方向所受的合力，可以得到等式：
由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：
（1）
把这个等式带入上式中，就得到系统的第一个运动方程：
（M+m）x+bx+ml
cos
-ml
sin
=F
（2）
由摆杆垂直方向上的合理进行分析，可以得到下列方程：
（3）
力矩平衡方程如下：
2.3.3仿真分析
仿真模型如下图所示：
图4仿真原理图
（1）Q=[1000;
0000;
0010;
0000]，R=1.33，由MATLAB求得最优状态反馈矩阵为：
K=[-0.8671-1.796116.86063.1490]
Q=[1000;
0000]，R=0.01，由MATLAB求得最优状态反馈矩阵为：
K=[-0.2742-0.95215.32592.8138]
（3）Q=[0.1000;
000.10;
K=[-0.2742-0.952115.32592.8138]
（4）Q=[0.1000;
0000]，R=100，由MATLAB求得最优状态反馈矩阵为：
K=[-0.0316-0.360314.22392.5693]
测得仿真图如下：
图5仿真效果图
利用Matlab软件中Simulink对倒立摆的运动进行仿真。
经过多次仿真试凑，可以使系统能够准确地跟踪阶跃输入信号，摆杆的角度的超调量足够小，稳态误差很小、上升时间与调整时间也比较短。
Q和R矩阵用来平衡系统对输入量和状态量的感应程度，通过调整矩阵Q和R来获得满意的响应效果。
当R增大时，各相应曲线达到稳态所需的时间变长；
Q增大时，各相应曲线达到稳态所需的时间变短。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图6所示，系统总体框图
图6系统总体框图
3.1.2PID子系统框图与电路原理图
1、PID子系统框图
图7子系统框图
2、PID子系统电路、
图8子系统电路图
3.1.3电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V或者
12V电压，确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。
3.2程序的设计
#include<
REG52.H>
math.h>
//Keillibrary
stdio.h>
INTRINS.H>
typedefunsignedcharuchar;
typedefunsignedshortushort;
typedefunsignedintuint;
#defineDataPortP0//LCD1602数据端口
sbitSCL=P2^6;
//IIC时钟引脚定义
sbitSDA=P2^7;
//IIC数据引脚定义
sbitLCM_RS=P2^0;
//LCD1602命令端口
sbitLCM_RW=P2^1;
sbitLCM_EN=P2^2;
//LCD1602命令端口
#defineSMPLRT_DIV0x19//陀螺仪采样率，典型值：
0x07（125Hz）
#defineCONFIG0x1A//低通滤波频率，典型值：
0x06（5Hz）
#defineGYRO_CONFIG0x1B//陀螺仪自检及测量范围，典型值：
0x18（不自检，2000deg/s）
#defineACCEL_CONFIG0x1C//加速计自检、测量范围及高通滤波频率，典型值：
0x01（不自检，2G，5Hz）
#defineGYRO_XOUT_H0x43
#defineGYRO_XOUT_L0x44
#defineGYRO_YOUT_H0x45
#defineGYRO_YOUT_L0x46
#defineGYRO_ZOUT_H0x47
#defineGYRO_ZOUT_L0x48
#definePWR_MGMT_10x6B//电源管理，典型值：
0x00（正常启用）
#defineWHO_AM_I0x75//IIC地址寄存器（默认数值0x68，只读）
#defineSlaveAddress0xD0//IIC写入时的地址字节数据，+1为读取
uchardis[4];
//显示数字（-511至512）的字符数组
intdis_data;
//变量
//intTemperature,Temp_h,Temp_l;
//温度及高低位数据
voiddelay（unsignedintk）;
//延时
//LCD相关函数
voidInitLcd（）;
//初始化lcd1602
voidlcd_printf（uchar*s,inttemp_data）;
voidWriteDataLCM（uchardataW）;
//LCD数据
voidWriteCommandLCM（ucharCMD,ucharAttribc）;
//LCD指令
voidDisplayOneChar（ucharX,ucharY,ucharDData）;
//显示一个字符
voidDisplayListChar（ucharX,ucharY,uchar*DData,L）;
//显示字符串
//MPU6050操作函数
voidInitMPU6050（）;
//初始化
voiddisplay_ACCEL_x（）;
voiddisplay_ACCEL_y（）;
voiddisplay_ACCEL_z（）;
ucharSingle_ReadI2C（ucharREG_Address）;
//读取I2C数据
voidSingle_WriteI2C（ucharREG_Address,ucharREG_data）;
//向I2C写入数据
voidlcd_printf（uchar*s,inttemp_data）
{
if（temp_data<
0）
{
temp_data=-temp_data;
*s='
-'
;
}
else*s='
'
*++s=temp_data/100+0x30;
temp_data=temp_data%100;
//取余运算
*++s=temp_data/10+0x30;
temp_data=temp_data%10;
*++s=temp_data+0x30;
}
voiddelay（unsignedintk）
{
unsignedinti,j;
for（i=0;
i<
k;
i++）
{
for（j=0;
j<
2145;
j++）;
}
voidInitLcd（）
{
WriteCommandLCM（0x38,1）;
delay
（1）;
WriteCommandLCM（0x08,1）;
WriteCommandLCM（0x01,1）;
WriteCommandLCM（0x06,1）;
WriteCommandLCM（0x0c,1）;
DisplayOneChar（0,0,'
A'
）;
DisplayOneChar（0,1,'
G'
）
{
delay（500）;
//上电延时
InitLcd（）;
//液晶初始化
delay
（1）;
InitMPU6050（）;
//初始化MPU6050
delay（150）;
while
（1）
Display10BitData（GetData（ACCEL_XOUT_H）,2,0）;
//显示X轴加速度
Display10BitData（GetData（ACCEL_YOUT_H）,7,0）;
//显示Y轴加速度
Display10BitData（GetData（ACCEL_ZOUT_H）,12,0）;
//显示Z轴加速度
Display10BitData（GetData（GYRO_XOUT_H）,2,1）;
//显示X轴角速度
Display10BitData（GetData（GYRO_YOUT_H）,7,1）;
//显示Y轴角速度
Display10BitData（GetData（GYRO_ZOUT_H）,12,1）;
//显示Z轴角速度
delay（500）;
};
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。
（1）键盘实现功能：
设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。
（2）显示部分：
显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。
2、程序设计思路
软件系统包括DSP和PC另个部分，PC软件编程VC++6.0，控制周期是10ms,界面上的显示刷新周期是50ms,DSP软件编程利用cc编辑器。
联机调试时由DSP独立进行控制，此时，DSP仍然可以利用串行通讯接口将实时控制数据发送到PC中，用它用作测试、分析运行数据。
3.2.2程序流程图
图9程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬测试件
以51单片机控制器为核心器件，具有强大的数据处理功能和丰富的片内外设模块。
能够独立执行实时控制PID算法。
其主要的性能指标如下：
1）具有可编程中断系统、事件管理模块、看门狗电路及基于扫描的仿真接口。
2）12路比较/脉冲调宽（PWM）输出，直接针对电机控制系统设计。
2.20V直流稳压电源由集成电路提供，输出电流可达1.5A，5V直流电源有集成电路51提供。
3.电动机驱动部分采用PWM控制脉冲调节速度。
2、软件仿真测试
1．KEIL软件编程语言
2．控制周期是10ms，界面上的显示刷新周期是50ms.
3.提供以下的运行方式：
1）联机调试方式：
由51单片机进行控制，利用PID算法程序控制PWM脉冲调节电机转速。
4.具有良好的人-机界面，可以很方便的进行算法调试。
3、硬件软件联调
利用KEIL软件编程，51单片机控制电机，电机转动带动旋转臂，通过PID算法、PWM脉冲调节控制电机转速，从而摆杆有不同的速度，旋转的角度就不同。
4.2测试条件与仪器
测试条件：
检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：
高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果（数据）
表1测试数据
第一次
第二次
第三次
设定角度（º
60
120
45
过设定角度时间（s）
4
3.9
3.3
停摆时间（s）
8.1
8.5
7.3
动态倒立时间（s）
8.8
7.9
8.7
过水平面时间（s）
4.4
4.6
5.0
8.6
7.7
8.3
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，测得过设定角度时间、停摆时间、动态倒立时间、过水平面时间，可以得出以下结论：
系统总体上达到较好的性能。
倒立摆能够实现动态倒立，且运行的时间误差在允许范围内。
倒立摆运行性能较好，制作成本低，性价比较高。
倒立摆控制的误差主要来源于直流伺服电机、角度传感器和倒立摆机械结构。
直流伺服电机在低速运动时，控制存在死区，低脉宽时电机不运动。
陀螺仪传感器由精密电位器改制，存在角度死区，精度不足。
因此，采用具有更好启动、制动和调速特性直流电机、精度更高的角度陀螺仪传感器改进硬件结构，以消除控制误差，使控制精度更高。
综上所述，本设计达到设计要求。
电路原理图
图10MCU最小模块系统
图11直流电机电路图
图12陀螺仪电路图
源程序
#include
升级会员 