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1、 本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计）中文题目中文题目 旋转倒立摆控制演示系统设计与实现 英文题目英文题目 Design and Implementation of Rotary Inverted Pendulum Control System for Demonstration 学生姓名学生姓名 白 杨 班级班级 651006 学号学号 65100604 学学 院院 仪器科学与电气工程学院 专专 业业 电气工程及其自动化 指导教师指导教师 随阳轶 职称职称 副 教 授 摘摘要要旋转倒立摆是一种复杂的、快速的、不稳定的系统。该类模型的控制方法可以应用于航天，机械制造等多种精密控制的领域
2、。本文主要介绍了旋转倒立摆演示系统的原理分析、设计制作过程和实验结论。在拉格朗日状态空间方程模型的基础上，使用 LQR 二次型最优控制器的方法。采用区间分布控制，得到期望的控制效果。本设计采用飞思卡尔 K60 单片机作为处理器，使用光电编码器作为传感器，对系统进行控制和检测。本设计提出了一种新的机械设计方案，提高了旋转倒立摆的机械性能。本文从硬件的选择到软件的程序实现，详细的阐述了旋转倒立摆演示系统的实际制作过程。实现了旋转倒立摆的起摆功能，摆杆可以自行在竖直方向上保持平衡，并且在外界施加一定干扰的情况下能够保证平衡不被破坏。在此基础上实现了通过改变参数研究控制系统特性的功能，适用于教学演示。
3、关键词：旋转倒立摆 LQR 控制器 K60 光电编码器TitleTitle Design and Implementation of Rotary InvertedPendulum Control System for DemonstrationAbstractAbstractRotational inverted pendulum is a complex and fast, the instability of the system. This kind of control method of the model, which can be applied in aerospace, m
4、achinery manufacturing, and other precision control field. This article mainly introduces the principle of rotational inverted pendulum system demonstration analysis, design, manufacture process and the experiment conclusion. The quadratic optimal control is used on the basis of the state-space equa
5、tions, Lagrange model, and LQR method. Using interval distribution control, achieve the desired control effect. This design uses a single chip as the processor Freescale K60 used as sensors, optical encoders to control and detection systems. This design presents a new mechanical design, improve the
6、mechanical properties of rotational inverted pendulum. This paper, from the choice of the hardware to software program implementation, in detail elaborated the actual production process of rotary inverted pendulum system demonstration. To realize the function of rotational inverted pendulum of the p
7、endulum, swinging rod was able to maintain a balance in the vertical direction, and adding some interference in the outside world to be able to keep the balance from damage. On the basis of the control system realized by changing the parameters of the research characteristics of function, is suitabl
8、e for the teaching demonstration.Keywords：Rotational Inverted Pendulum K60 LQR Controller Optical Encoder1目录目录1 绪论.11.1 研究背景与目的.11.2 国内外研究现状.11.3 本文研究内容.12.物理模型分析以及控制方法研究.22.1 旋转倒立摆的物理模型建立过程.22.2 使用理想 LQR 控制器设计的控制策略的分析.52.3 起摆过程分析.10 3 系统设计方案.13 3.1 总体设计框架.13 3.1.1 设计方案 .13 3.1.2 机械结构设计 .14 3.2 硬件设计
9、.14 3.2.1 电机选型 .14 3.2.2 控制处理器选择 .15 3.2.3 传感器选择 .15 3.2.4 材料选择 .16 3.2.5 驱动电路选择 .16 3.2.6 液晶模块的选择 .17 3.3 软件设计.18 3.3.1 程序总流程概述 .183.3.2 键盘扫描模块编程分析 .20 3.3.3 串口发送模块 .20 3.3.4 起摆算法和平衡控制算法的软件实现 .20 3.3.5 使用编码器测速程序的设计.22 3.3.6 使用 Labview 软件实现上位机软件通讯.23 4 关键技术.24 4.1 编码器相位差所产生的问题.2424.2 增量式累积误差的消除方法.25
10、 4.3 采样频率的确定.25 4.4 电机工作频率.26 4.5 串口发送占用时间过长的问题.26 5 成果展示.27 结论.28 参考文献.29 致谢.3111 1 绪论绪论1.11.1 研究背景与目的研究背景与目的倒立摆模型是自动控制系统研究中的一个经典问题，有关于它的 研究始于 20 世纪 50 年代。倒立摆主要被用于检验控制方法对于不稳 定、快速、非线性系统的控制能力，并在此基础上研究新的控制策略 用于航天、机器人、精密加工等各种控制领域1。本文所讨论的旋转 倒立摆是在原本直线倒立摆的基础上的进一步拓展研究。由于从原本 的二维平面2扩展到三维立体空间，物理模型的建立也更加复杂。系 统
11、本身是非线性不稳定的3，在进行对系统的控制时需要考虑能量的 传递过程以及系统的瞬态分析，这也是考虑到旋转倒立摆自身的快速、 多变量、复杂性所提出的要求。1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状对于旋转倒立摆控制系统的控制策略主要有基于经典理论的 PID 控制法45、状态空间法6、模糊控制策略7、基于神经网络8的控 制理论以及遗传算法等。目前国内外许多厂商都推出了倒立摆系统的相关产品，例如加拿 大 Quanser 公司9和深圳固高科技公司。1.31.3 本文研究内容本文研究内容（1）本文旨在利用拉格朗日状态空间方程以及线性二次最优控制策 略，通过对非线性系统的区间线性化，对旋转倒立摆进行控制。在非 近似区间采取分段线性化控制方法，从而加大可控范围。通过理论计 算建立多级分段 LQR 控制器进行倒立摆的控制研究。（2）因为旋转倒立摆本身对误差以及阻尼等外界干扰因素极为敏感
