倒立擺系統(tǒng)在控制理論研究中是一種較為理想的實驗裝置。倒立擺系統(tǒng)可以用多種理論和方法來實現(xiàn)其穩(wěn)定控制，如PID、自適應(yīng)、狀態(tài)反饋、智能控制、模糊控制及人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等多種理論和方法，都能在倒立擺系統(tǒng)控制上得到實現(xiàn)，而且當(dāng)一種新的控制理論和方法提出以后，在不能用理論加以嚴(yán)格證明時，可以考慮通過倒立擺裝置來驗證其正確性和實用性。本文設(shè)計了基于單片機的得倒立擺控制系統(tǒng)，成本低廉，調(diào)試方便，能直觀的觀察控制效果，完成系統(tǒng)的調(diào)試任務(wù)，快捷的驗證控制理論算法的正確與否。

1．二級倒立擺系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

二級倒立擺系統(tǒng)有以下部分組成：有效長度為90cm的光滑導(dǎo)軌，可以在導(dǎo)軌上來回移動的小車，材料為鋁的擺桿鉸接在小車上，二級擺桿以同樣的方式與一級擺桿相連，如圖所示，它們的鉸接方式?jīng)Q定了它們的運動是被限定在豎直平面內(nèi)的運動，一級擺桿和二級擺桿的規(guī)格相同，有效長度為525cm。小車的驅(qū)動系統(tǒng)由一直流力矩伺服電機和同步帶傳動系統(tǒng)組成，小車相對參考點的相對位移x有電位器0測量傳動帶而得到，一級擺桿與豎直方向的夾角θ1由固定在一級擺桿和小車鉸接處的電位器1測量得到，二級擺桿與豎直方向的夾角θ2由電位器2通過測量兩個擺的角度差θ2-θ1而間接得到。直流伺服電機產(chǎn)生驅(qū)動力F使小車根據(jù)擺角的變化而在導(dǎo)軌上運動。小車依靠直流電機所施加的控制力，可以在導(dǎo)軌上左右移動?？刂颇繕?biāo)是在有限長度的導(dǎo)軌上使倒立擺能穩(wěn)定地豎立在小車上而不倒下，從而達到動態(tài)平衡。

2．控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制原理及設(shè)計思路

狀態(tài)反饋是將系統(tǒng)的每一個狀態(tài)變量乘以相應(yīng)的反饋系數(shù)，然后反饋到輸入端與參考輸入相加形成控制律，作為受控系統(tǒng)的控制輸入。狀態(tài)反饋系統(tǒng)的基本特點是采用對狀態(tài)向量的線性反饋規(guī)律來構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于控制作用是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，可使控制效果得到很大地改善，從而具有更好的一系列控制特性。本系統(tǒng)采用狀態(tài)反饋法控制二級倒立擺系統(tǒng)。二級倒立擺系統(tǒng)共有六個狀態(tài)變量，分別是小車位置x、兩個擺角度θ1和θ2、，其中小車位置、兩個擺角度分別由電位器0、 電位器1、電位器2測量所得，而小車的速度和兩個擺角速度由小車位置、兩個擺角度經(jīng)微分變換所得。這六個狀態(tài)變量輸入到單片機的ADC模塊中，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后被送到上位機顯示，并與由上位機設(shè)定的反饋參數(shù)進行運算，再把所求的結(jié)果經(jīng)由單片機的DAC模塊輸出到功放電路，再經(jīng)過PWM脈寬調(diào)制到執(zhí)行電機獲得對倒立擺相應(yīng)的力從而控制倒立擺的穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)圖如下所示：

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計:

系統(tǒng)控制裝置的硬件采用基于凌陽公司生產(chǎn)的SPCE061A單片機。采用了四個IGBT來實現(xiàn)PWM功率轉(zhuǎn)換電路，使電路的反應(yīng)更能及時準(zhǔn)確。電機是永磁式直流力矩電動機，它能經(jīng)常使用在堵轉(zhuǎn)或低速狀態(tài)。該電機可在位置或低速隨動系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。

2.2.1 SPCE061A單片機性能特點

SPCE061A是凌陽科技推出的一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使µ’nSP™能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號。16位µ’nSP™微處理器；2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)； 2個10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道； 32位通用可編程輸入/輸出端口； 7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；具備串行設(shè)備接口； SPCE061A的開發(fā)是通過在線調(diào)試器PROBE實現(xiàn)的。它既是一個編程器（即程序燒寫器），又是一個實時在線調(diào)試器。用它可以替代在單片機應(yīng)用項目的開發(fā)過程中常用的軟件工具——硬件在線實時仿真器和程序燒寫器。在計算機IDE集成開發(fā)環(huán)境軟件包下，完成在線調(diào)試功能。

2.2.2 控制電路原理及接口