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控制對(duì)象：旋轉(zhuǎn)倒立擺 控制器：XS128

關(guān)于控制對(duì)象的基本說明

控制目標(biāo)

• 擺桿從初始時(shí)刻能夠自己起振到最高位置，并在最高位置保持不動(dòng)或者在很小范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)
• 擺桿受到外部干擾（硬幣或手等的敲打使其偏離豎直向上的位置）時(shí)可以自動(dòng)恢復(fù)到目標(biāo)位置

控制對(duì)象基本參數(shù)以及控制方式的選取

• 電機(jī)PWM控制頻率
  
  • 10KHz
  • 理由
    
    • 頻率特別小時(shí)，電機(jī)雖然死區(qū)比較小，但是電機(jī)特性比較硬，很小的占空比即可以產(chǎn)生較大的速度，而且速度調(diào)節(jié)精度很難控制（給調(diào)節(jié)參數(shù)帶來困難）。
    • 頻率小時(shí)，電機(jī)有可能工作在電流斷續(xù)狀態(tài)，對(duì)點(diǎn)擊有害，而且電機(jī)產(chǎn)生的噪聲比較大
• 控制周期
  
  • 0.5ms
    
    • 將控制系統(tǒng)分為2事件，事件1進(jìn)行速度控制（外環(huán)），事件2進(jìn)行角度控制（內(nèi)環(huán)），外環(huán)控制周期為100ms，內(nèi)環(huán)控制周期為1ms；事件2中進(jìn)行電機(jī)PWM的輸出。故相當(dāng)于每1ms輸出1次PWM波
  • 理由
    
    • 控制周期太小，系統(tǒng)震蕩；控制周期太大，系統(tǒng)反應(yīng)不及時(shí)
    • 此處的控制周期是參考學(xué)長(zhǎng)的控制周期
• 2級(jí)PID的選取
  
  • 角度環(huán)
    
    • 位置式PID
  • 速度環(huán)
    
    • 增量式PID
    • 速度環(huán)的輸出作為角度環(huán)的輸入，而在此時(shí)角度環(huán)的初始設(shè)定值為250，因此如果用位置式的PID算法，得到的角度還需要進(jìn)行處理（在靜止不動(dòng)時(shí)輸出為250）才能賦值給角度環(huán)的輸入

• 起振

  • 在擺桿豎直向下時(shí)，當(dāng)擺角小于某一角度值時(shí)，輸出固定占空比的PWM波，當(dāng)擺角大于某一值時(shí)，電機(jī)

  • 擺動(dòng)過程中判斷擺桿的方向，使得無論擺桿無論在哪個(gè)方向上擺動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向都會(huì)使它繼續(xù)沿著那個(gè)方向加速擺動(dòng)

    • 實(shí)現(xiàn)方法：同時(shí)判斷擺桿角度和運(yùn)動(dòng)方向，再進(jìn)行控制

    • 代碼

      if( (PID4Pend.GetVal < LimA) || ( PID4Pend.GetVal >= ( 500 - LimA ) ) ) {OutDuty = 1200;if(PendDir==1) dir=2;else dir=1; } if( (PID4Pend.GetVal < (500 - LimA)) && (PID4Pend.GetVal > 260 )) {OutDuty = 0; } if( (PID4Pend.GetVal > LimA) && (PID4Pend.GetVal < 240 )) {OutDuty = 0; } SetMotorVoltage( OutDuty , dir );

• 編碼器讀取的方式

  • 外部中斷
  • 注意事項(xiàng)
    
    • 在初始化時(shí)刻將外部中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高
    • 在進(jìn)入串口中斷或者定時(shí)中斷時(shí)，均需要再次調(diào)用EnableInterrupts使能中斷
    • 因?yàn)閿[桿在擺動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生零偏，即編碼器的值會(huì)逐漸偏離原點(diǎn)（振動(dòng)產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)此處的250）；解決辦法：用Z進(jìn)行復(fù)位，記錄Z相脈沖低電平時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)，每次Z相外部中斷觸發(fā)時(shí)，直接改變脈沖計(jì)數(shù)的值。
    • 編碼器需要A、B、Z相需要加上拉電阻，可以通過軟件配置上拉電阻即可。

• 速度環(huán)的輸出方式

  • 斜坡輸出

    • 目前采用的是這種方式，將得到的輸出量按照斜坡的方式繼續(xù)擰輸出

  • 階躍輸出

    • 還沒有嘗試

調(diào)試過程中遇到的問題

• 電機(jī)死區(qū)的處理

  • 計(jì)算輸出占空比小于死區(qū)占空比時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)
    
    • 目前采用的是這種方法
  • 電機(jī)輸出占空比小于死區(qū)占空比時(shí)，電機(jī)按照最小速度運(yùn)動(dòng)
  • 將計(jì)算得到的占空比得到輸出占空比按照一次函數(shù)關(guān)系進(jìn)行輸出，如OutDuty = 0.94 * OutDuty + 0.06，其中0.06是電機(jī)死區(qū)對(duì)應(yīng)的占空比

• 關(guān)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)的協(xié)調(diào)問題

  • 問題說明：采用PI控制時(shí)，擺桿由自由下垂能夠自動(dòng)擺到豎直向上的位置，并保持運(yùn)動(dòng)在90度的范圍內(nèi)（一般在45度范圍內(nèi)），說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能達(dá)到要求，此時(shí)如果用外力使擺桿發(fā)生抖動(dòng)，抖動(dòng)較小時(shí)，擺桿可以回到穩(wěn)態(tài)，但是如果比較大的時(shí)候，就不能回到穩(wěn)態(tài)，比如施加干擾使其超過PID的控制角度范圍；采用PD控制時(shí)，擺桿可以自起振，同時(shí)受到外界干擾可以比較好地恢復(fù)，但是它不能保持在90度的范圍內(nèi)，而是沿著某個(gè)方向緩慢旋轉(zhuǎn)，即動(dòng)他性能達(dá)到要求，而穩(wěn)態(tài)性能不符合要求。
  • 解決辦法：在擺桿處于PID的控制模式時(shí)，采用PI控制，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，處于啟動(dòng)模式時(shí)（即偏離豎直向上的角度大于某個(gè)值），采用PD控制，滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求。

一些管腳定義

串口

• PS0 -> RXD0
• PS1 -> TXD0

L298N驅(qū)動(dòng)

• IN1 -> PB1
• IN2 -> PB0
• ENA-> PP1

編碼器

• 擺桿編碼器
  
  • A相（黑線） ：PA0（GPIO讀取方向）
  • B相（白線） ：PH0（外部中斷讀取脈沖）
  • Z相（橙線） ：PH1（外部中斷清零操作）
  • 藍(lán)線：GND
  • 棕線：VCC（5V~12V）
• 旋轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器
  
  • 1、2 ：可以不接
  • pin3 ：VCC通過100歐姆的電阻（限流）和該管腳連接
  • pin4 ：PA1（GPIO讀取方向）
  • pin5 ：PH2（外部中斷讀取脈沖）
  • pin6 ：GND

關(guān)于編程方法的一些說明

• 在.c文件里定義，在對(duì)應(yīng)的.h文件中用extern聲明
• 如果要引用該變量，可以在.h文件中#include一下，或者用extern int value

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的倒立摆系统说明的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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