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控制對象：旋轉倒立擺 控制器：XS128

關于控制對象的基本說明

控制目標

• 擺桿從初始時刻能夠自己起振到最高位置，并在最高位置保持不動或者在很小范圍內運動
• 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）時可以自動恢復到目標位置

控制對象基本參數以及控制方式的選取

• 電機PWM控制頻率
  
  • 10KHz
  • 理由
    
    • 頻率特別小時，電機雖然死區比較小，但是電機特性比較硬，很小的占空比即可以產生較大的速度，而且速度調節精度很難控制（給調節參數帶來困難）。
    • 頻率小時，電機有可能工作在電流斷續狀態，對點擊有害，而且電機產生的噪聲比較大
• 控制周期
  
  • 0.5ms
    
    • 將控制系統分為2事件，事件1進行速度控制（外環），事件2進行角度控制（內環），外環控制周期為100ms，內環控制周期為1ms；事件2中進行電機PWM的輸出。故相當于每1ms輸出1次PWM波
  • 理由
    
    • 控制周期太小，系統震蕩；控制周期太大，系統反應不及時
    • 此處的控制周期是參考學長的控制周期
• 2級PID的選取
  
  • 角度環
    
    • 位置式PID
  • 速度環
    
    • 增量式PID
    • 速度環的輸出作為角度環的輸入，而在此時角度環的初始設定值為250，因此如果用位置式的PID算法，得到的角度還需要進行處理（在靜止不動時輸出為250）才能賦值給角度環的輸入

• 起振

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

  • 擺動過程中判斷擺桿的方向，使得無論擺桿無論在哪個方向上擺動，電機的轉動方向都會使它繼續沿著那個方向加速擺動

    • 實現方法：同時判斷擺桿角度和運動方向，再進行控制

    • 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
    
    • 在初始化時刻將外部中斷優先級設置為最高
    • 在進入串口中斷或者定時中斷時，均需要再次調用EnableInterrupts使能中斷
    • 因為擺桿在擺動的時候會產生零偏，即編碼器的值會逐漸偏離原點（振動產生，對應此處的250）；解決辦法：用Z進行復位，記錄Z相脈沖低電平時對應的脈沖個數，每次Z相外部中斷觸發時，直接改變脈沖計數的值。
    • 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擰輸出

  • 階躍輸出

    • 還沒有嘗試

調試過程中遇到的問題

• 電機死區的處理

  • 計算輸出占空比小于死區占空比時，電機不轉動
    
    • 目前采用的是這種方法
  • 電機輸出占空比小于死區占空比時，電機按照最小速度運動
  • 將計算得到的占空比得到輸出占空比按照一次函數關系進行輸出，如OutDuty = 0.94 * OutDuty + 0.06，其中0.06是電機死區對應的占空比

• 關于系統動態與穩態的協調問題

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

一些管腳定義

串口

• PS0 -> RXD0
• PS1 -> TXD0

L298N驅動

• 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）
  • 藍線：GND
  • 棕線：VCC（5V~12V）
• 旋轉電機編碼器
  
  • 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

關于編程方法的一些說明

• 在.c文件里定義，在對應的.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

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

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