簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置是復(fù)雜的高階閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制復(fù)雜度較高。系統(tǒng)以飛思卡爾MK10DN512ZVLL10單片機(jī)為核心，以Mini1024j編碼器為角度傳感器，配合直流電機(jī)組成旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)，經(jīng)過充分的系統(tǒng)建模，并考慮單片機(jī)運(yùn)算速度，最終確定采用改進(jìn)的“模糊PID”控制算法，通過軟件控制，可以滿足基本部分要求和發(fā)揮部分要求。

　　系統(tǒng)的突出特點(diǎn)在于充分的力學(xué)理論分析，通過力學(xué)建模和控制系統(tǒng)仿真，獲得了大量的定性分析結(jié)果，為系統(tǒng)的建立提供了很好的理論依據(jù)。

　　系統(tǒng)方案論證與選擇

　　倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的快速、非線性、多變量、強(qiáng)耦合、自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)。對(duì)于該控制系統(tǒng)而言，合適的控制算法、精確的反饋信號(hào)、適合的電機(jī)驅(qū)動(dòng)等都對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度及抗干擾性起重要作用。針對(duì)上述問題，分別設(shè)計(jì)多種不同的解決方案，并進(jìn)行選擇論證。

　?。?）控制算法選擇

　　方案一：采用傳統(tǒng)PID控制算法。

　　傳統(tǒng)PID控制算法是運(yùn)用反饋求和后的誤差信號(hào)的比例（0階位置項(xiàng)）、積分（誤差累積項(xiàng)）、微分（1階速度項(xiàng)）進(jìn)行系統(tǒng)校正的一種控制算法?？捎糜诒豢貙?duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到的精確數(shù)學(xué)模型的情況，控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)調(diào)試來確定。

　　方案二：采用模糊PID控制算法

　　模糊PID控制算法根據(jù)PID控制器的三個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差的變化ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行時(shí)不斷檢測(cè)e及ec，通過事先確定的關(guān)系，利用模糊推理的方法，在線修改PID控制器的三個(gè)參數(shù)，讓PID參數(shù)可自整定。將模糊控制算法與傳統(tǒng)PID控制算法巧妙結(jié)合，不但具有PID控制算法精度高等優(yōu)點(diǎn)，又兼有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

　　綜合考慮選擇方案二的模糊PID控制算法。

　?。?）電動(dòng)機(jī)選型

　　方案一：選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖就動(dòng)一步。雖然控制時(shí)序和驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)復(fù)雜，但步進(jìn)距離很小，保持力矩大，制動(dòng)能力強(qiáng)。但步進(jìn)電機(jī)速度只在一定范圍可調(diào)，并且一般步進(jìn)電機(jī)在不旋轉(zhuǎn)時(shí)仍有若干相通電，功耗太大。

　　方案二：選擇直流電動(dòng)機(jī)

　　直流電動(dòng)機(jī)控制簡單，利用雙極性PWM即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速和正、反轉(zhuǎn)，功率調(diào)節(jié)范圍廣、適應(yīng)性好。直流電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動(dòng)、停車，易于控制，且直流電機(jī)的調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。

　　綜上考慮選擇方案二的直流電動(dòng)機(jī)。

　?。?）傳感器的選擇

　　方案一：使用角位移傳感器

　　角位移傳感器是一個(gè)高精度的電位器，它輸出為模擬量。但是在使用角位移傳感器時(shí)，為得到其與豎直方向（即重力方向）的夾角，要使用重?cái)[，且在角度變化小時(shí)，由于傳感器自身扭矩，將不會(huì)發(fā)生角位移，從而得不到采樣數(shù)據(jù)。

　　方案二：使用主軸編碼器

　　主軸編碼器采用與主軸同步的光電脈沖發(fā)生器，通過中間軸上的齒輪1:1地同步傳動(dòng)。一般是發(fā)光二極管發(fā)出紅外光束，通過動(dòng)、靜兩片光柵后，到達(dá)光電二極管，接收到脈沖信號(hào)，變換成數(shù)字量輸出。按編碼方式不同，分為增量式編碼器和絕對(duì)編碼器。前者輸出脈沖，后者輸出8421碼。絕對(duì)值編碼器減輕了電子接收設(shè)備的計(jì)算任務(wù)，從而省去了復(fù)雜的和昂貴的輸入裝置，而且，當(dāng)機(jī)器合上電源或電源故障后再接通電源，不需要回到位置參考點(diǎn)，就可利用當(dāng)前的位置值，得到了廣泛的應(yīng)用。

　　綜上考慮選擇方案二的絕對(duì)值式主軸編碼器。

　　2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于題目要求及以上分析，本系統(tǒng)以飛思卡爾MK10DN512ZVLL10單片機(jī)作為核心處理芯片，包括擺桿狀態(tài)檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液晶顯示等模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)各部分功能如下。

　　中央處理模塊：該模塊采用飛思卡爾MK10DN512ZVLL10單片機(jī)作為主控制器，完成系統(tǒng)的控制功能。

　　擺桿檢測(cè)模塊：該模塊由主軸編碼器構(gòu)成，用于檢測(cè)擺桿的角位移及角速度，并將信息反饋給MCU。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：該模塊由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

　　液晶顯示模塊：該模塊由1.8寸SPI TFT全彩屏構(gòu)成，用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示擺桿角度，以及擺桿保持平衡狀態(tài)后維持的時(shí)間。