专利名称：一种倒立摆系统及其控制电路和控制方法
技术领域：
本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及一种设备简单，使用方便的倒立摆系统及其控制电路和控制方法。
背景技术：
倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是控制领域内的经典研究对象，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。 倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。现有技术中，能够用于相关控制实验和研究的控制平台较少，仅有少数可购买的实验平台，设备复杂，价格昂贵，不利于有效推广。因此，一直以来有关倒立摆系统的学习研究大多集中于理论仿真的范畴。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种设备简单，使用方便，适用于控制理论学习研究和实践的倒立摆系统及其控制电路和控制方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种倒立摆系统，包括摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器、电机、小车和控制装置，所述摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器均安装在小车的车体平台上，摆杆的前后各设有弹片，电机驱动小车的后轮，小车的前轮支撑车体平台的平衡和移动，所述控制装置控制电机的转向和转速。本发明主要实现一个基于移动小车的一级倒立摆实时控制与监测系统，摆杆为受控对象，通过控制装置控制电机的转向和转速进而控制小车的移动，使得摆杆始终保持在竖直方向的位置。角度测量编码器用于测量摆杆偏离竖直方向的角度，位移测量编码器用于测量小车的位移。控制过程中，当摆杆受到一定的扰动(如用手轻触摆杆或在摆杆顶端加适量重物)，由于摆杆前后各设有弹片，摆杆能够快速的恢复到稳定状态，系统具有良好的稳定性和适应性。同时本发明能实现自动起摆控制，即初始时刻不需要手动扶正摆杆，借助弹片自动捕捉零点位置。此外，弹片还能保护系统，避免摆杆落下损坏。在一个实施方式中，所述控制装置设有电量检测与电量指示模块，系统启动后能够自动检测电量，如果电量过低则系统不可用并进行报警提示充电。在一个实施方式中，所述控制装置设有人机交互平台，使用计算机进行控制参数上传和下载传输以及系统实时监测，同时还能在任意时刻停止系统。用户通过人机交互平台与系统交流，使用方便。优选地，所述人机交互平台设有系统模式选择与设置模块，系统设有离线控制和在线控制两种模式。离线模式下不需要计算机，直接使用系统自存参数实现控制(包括手动上摆和自动上摆)，能用于演示。在线模式即通过计算机的人机交互平台实现控制参数的实时传输和状态量的实时监测。在线模式又分为实时监控和不监控两种模式。在一个实施方式中，所述控制装置设有系统控制失败报警和保护模块，当系统控制失败(比如超出可控角度)，系统会自动停止并进行报警，防止系统损坏。本发明还提供一种上述倒立摆系统的控制电路，包括电源接入模块、无线通信模块、鉴相器模块、计数器模块、控制器模块以及双电机驱动模块，由电源接入模块供电，分别输入至无线通信模 块、鉴相器模块、计数器模块，各信号传送至控制器模块，控制器模块将计算的控制信号输出至双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机。本发明的控制电路由电源接入模块供电，无线通信模块与计算机进行实时大量的数据交互，用于控制参数传输和系统状态监测。鉴相器模块用于判断当前摆杆倒向的方向和小车偏离原点的方向，将相应的信号传送给控制器模块。计数器模块用于计数小车的位移脉冲，将计数的编码值直接传送到控制器模块。控制器模块不停的读取系统各状态物理量的测量值并使用相应的控制算法计算控制输出，将计算所得的PWM控制信号输出到双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机，进而控制电机的转向和转速，通过电机控制小车状态。在一个实施方式中，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有电源检测与电量指示模块，将电源电压分压、采样、隔离、检测并通过控制电源指示灯显示相应的电量状态。在一个实施方式中，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有系统模式选择与设置模块，使用拨码键盘等进行模式设置，每个按键对应一个指示灯用于指示当前的选择状态。每个拨码按键的功能已被预定义，根据意愿选择和设置模式。本发明同时还提供一种上述倒立摆系统的控制方法，依次包括以下步骤将控制参数输入控制装置；对摆杆进行扰动；控制装置控制电机的转向和转速，进而控制小车状态，使摆杆偏离在可控角度内；若超出可控角度，系统控制失败报警。在一个实施方式中，所述控制装置的工作过程为
a、启动，系统初始化，电量检测，若电量不足则提示充电，若电量充足则进入下一步
骤；
b、系统模式选择，离线模式下使用系统自存参数实现控制，在线模式下通过计算机人机交互平台实现控制参数的实时传输和状态量的实时监测；
C、按下启动按键，系统采集当前各物理状态量并进行数字滤波，根据状态反馈计算控制输出，输出控制系统；
d、判断当前摆杆是否处于可控范围，若超出可控范围，系统自动停止并进行报警，若在可控范围内，则再次进行步骤C。本发明的有益效果是本发明设备简单，使用方便，成本相对较低，适用于控制理论的学习研究和实践，为广大控制理论学习者提供一个良好的实验平台，为深入研究控制理论提供一个完美的研究对象。
图I是本发明的倒立摆系统的部分结构示意图。图2是图I的俯视方向示意图。图3是图I的左视方向示意图。图4是本发明的控制电路图。图5是本发明的控制流程图。图6是本发明的人机交互平台的界面图。图中省略了与本发明设计要点无关的其他部件。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。如图I至图3所示，本发明的一种倒立摆系统，包括摆杆101、角度测量编码器102、位移测量编码器103、电机104、小车和控制装置(未示出)，所述摆杆101、角度测量编码器102、位移测量编码器103均安装在小车的车体平台105上，摆杆101的前后各设有弹片106，本实施例中，所述电机104设为两个，两个电机104分别驱动小车的两个后轮107，小车的前轮108支撑车体平台105的平衡和移动，所述控制装置控制电机104的转向和转速。本发明主要实现一个基于移动小车的一级倒立摆实时控制与监测系统，摆杆101为受控对象，通过控制装置控制电机104的转向和转速进而控制小车的移动，使得摆杆101始终保持在竖直方向的位置。角度测量编码器102用于测量摆杆偏离竖直方向的角度，位移测量编码器103用于测量小车的位移。控制过程中，当摆杆101受到一定的扰动(如用手轻触摆杆或在摆杆顶端加适量重物)，由于摆杆前后各设有弹片106，摆杆101能够快速的恢复到稳定状态，系统具有良好的稳定性和适应性。同时本发明能实现自动起摆控制，即初始时刻不需要手动扶正摆杆101，借助弹片106自动捕捉零点位置。此外，弹片106还能保护系统，避免摆杆101落下损坏。为进一步增强可用性，本实施例中，所述控制装置设有电量检测与电量指示模块，系统启动后能够自动检测电量，如果电量过低则系统不可用并进行报警提示充电。本实施例中，所述控制装置设有人机交互平台，使用计算机进行控制参数上传和下载传输以及系统实时监测，同时还能在任意时刻停止系统。用户通过人机交互平台与系统交流，使用方便。本实施例中，所述人机交互平台设有系统模式选择与设置模块，系统设有离线控制和在线控制两种模式。离线模式下不需要计算机，直接使用系统自存参数实现控制(包括手动上摆和自动上摆)，能用于演示。在线模式即通过计算机的人机交互平台实现控制参数的实时传输和状态量的实时监测。在线模式又分为实时监控和不监控两种模式。本实施例中，所述控制装置设有系统控制失败报警和保护模块，当系统控制失败(比如超出可控角度)，系统会自动停止并进行报警，防止系统损坏。如图4所示，本发明还提供一种上述倒立摆系统的控制电路，用于控制装置控制电机的转向和转速。包括电源接入模块、无线通信模块、鉴相器模块、计数器模块、控制器模块以及双电机驱动模块，由电源接入模块供电，分别输入至无线通信模块、鉴相器模块、计数器模块，各信号传送至控制器模块，控制器模块将计算的控制信号输出至双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机。电源接入模块与控制器模块之间设有电源检测与电量指示模块以及系统模式选择与设置模块。控制电路的工作原理为
电源接入模块该模块主要为系统提供电源，系统各模块需要不同电压，比如控制器模块需要+ 5V电压，双电机驱动模块需要+ 12V电压，因此需要分别供电并做好电气隔离。本实施例中，使用线性稳压芯片LM2940将+ 12V电压稳压至+ 5V电压，供电给控制器模块
坐寸ο电源检测与电量指示模块该模块将电源电压分压、采样、隔离、检测并通过控制电源指示灯显示相应的电量状态。所用的主要器件为分压电阻、电压采样传感器、发光二极 管等。系统模式选择与设置模块系统设有离线控制和在线控制两种模式。离线模式下不需要计算机，直接使用系统自存参数实现控制(包括手动上摆和自动上摆)，能用于演示。在线模式即通过计算机的人机交互平台实现控制参数的实时传输和状态量的实时监测。该模块使用拨码键盘等进行模式设置，每个按键对应一个指示灯用于指示当前的选择状态。每个拨码按键的功能已被预定义，根据意愿选择和设置模式。无线通信模块本实施例中，使用CCllOO无线通信模块，能与计算机进行实时大量的数据交互，主要用作在线控制模式下的控制参数传输和系统状态监测。鉴相器模块本实施例中，使用D触发器SN74HC74N设计成双相编码脉冲的鉴相器模块，用于判断当前摆杆倒向的方向和小车偏离原点的方向，并将相应的信号传送给控制器模块。计数器模块本实施例中，使用CD4520，用于计数小车的位移脉冲，将计数的编码值直接传送到控制器模块。控制器模块本实施例中，使用单片机MC9S12XS128，主要完成模式和状态的外部设置值读取，部分状态指示的显示，各物理量的测量值读入，PWM控制信号的输出等。双电机驱动模块使用半桥集成芯片BTS7970搭建H桥的驱动电路，通过控制器模块输出的PWM控制信号控制电机的转向和转速，进而控制小车的状态。本发明以单片机MC9S12XS128为核心，单片机在初始时刻会读取模式外部设置值并选择进入相应的控制模式。控制过程中，单片机会不停的读取系统各状态物理量的测量值并使用相应的控制算法计算控制输出。单片机将计算所得的PWM控制信号输出到双电机驱动模块进而控制电机的转向和转速，通过电机控制小车状态。如图5所示，本发明同时还提供一种上述倒立摆系统的控制方法，依次包括以下步骤将控制参数输入控制装置；对摆杆进行扰动(如用手轻触摆杆或在摆杆顶端加适量重物)；控制装置控制电机的转向和转速，进而控制小车状态，使摆杆偏离在可控角度内；若超出可控角度，系统控制失败报警。所述控制装置的工作过程为
a、启动系统，进行硬件及相关参数初始化，并采样当前系统电池电量，检测此刻电量是否充足。如果电量不足，系统进入自保护状态，此时红色电源指示灯不停闪烁，蜂鸣器长鸣报警提示充电。如果电量充足，系统进入下一步骤。b、系统模式选择，此时控制器模块读取拨码键盘设置值，选择控制模式。
离线模式下，使用系统自存参数实现控制，系统读取控制方式即手动上摆或自动上摆，然后等待按下启动按键。手动上摆需先手动扶正摆杆，然后等待按下启动按键捕捉零点。自动上摆则直接等待按下启动按键自动捕捉零点。在线模式下，通过计算机人机交互平台实现控制参数的实时传输和状态量的实时监测。等待计算机通信呼叫和连接，人机交互平台的界面会出现相关信息提示通信连接是否成功。通信连接成功后，可进行控制参数的上传和下载，下载完毕后系统会发出声音提示，然后等待按下启动按键。C、按下启动按键，系统采集当前各物理状态量并进行数字滤波等处理操作，根据状态反馈计算控制输出，输出控制系统。d、系统根据当前采集的物理量值判断是否在安全可控范围内，若超出可控范围，系统进入保护状态即停止控制，蜂鸣器长鸣提示，人机交互界面弹出相关提示窗口。若在可控范围内，系统再次进行步骤c。
图6所示为本发明中人机交互平台的界面，其使用方法为
区域①为通信配置区域，其中“串口”选项为当前通信模块所占用的计算机口号，可由所用计算机设备管理器中查得；“ ID”选项为所要控制的装置的通信地址，与控制装置上的设置保持一致即可，也可任意设置。其中ID设为O时，系统仅进行控制参数的传输，不进行状态量监测的传输；“设备连接”选项用于建立控制装置与计算机间的通信连接，连接成功则区域⑤显示灰色字符“设备X (ID号)已连接”，否则一直显示红色字符“设备O未连接”。区域②为模式选择及参数设置区域，其中“自动上摆”和“手动上摆”选项用来设置控制系统起摆方式；“位移反馈系数”、“速度反馈系数”、“角位移反馈系数”、“角速度反馈系数”等四个选项直接填写控制参数。区域③为命令区域，其中“上载参数”选项为将当前控制装置参数读取并显示在区域②中；“下载参数”选项为将区域②中设置好的控制模式和控制参数传送到控制装置中；“启动”选项为启动系统控制和数据接收，再次按下则变为“停止”命令，控制过程中任意时亥IJ按下即立即停止控制；“清除曲线”选项为将区域④中残存的曲线清除。区域④为实时监控曲线显示区域，该区域分四个窗口，可同时分别接收系统的四个物理量，包括摆杆的角位移、摆杆的角速度、小车的位移、小车的速度的实时测量值并绘制实时曲线。本发明设备简单，使用方便，成本相对较低，适用于控制理论的学习研究和实践，为广大控制理论学习者提供一个良好的实验平台，为深入研究控制理论提供一个完美的研究对象。以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种倒立摆系统，其特征在于，包括摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器、电机、小车和控制装置，所述摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器均安装在小车的车体平台上，摆杆的前后各设有弹片，电机驱动小车的后轮，小车的前轮支撑车体平台的平衡和移动，所述控制装置控制电机的转向和转速。
2.根据权利要求I所述的倒立摆系统，其特征在于，所述控制装置设有电量检测与电量指示模块。
3.根据权利要求I所述的倒立摆系统，其特征在于，所述控制装置设有人机交互平台。
4.根据权利要求3所述的倒立摆系统，其特征在于，所述人机交互平台设有系统模式选择与设置模块。
5.根据权利要求I所述的倒立摆系统，其特征在于，所述控制装置设有系统控制失败报警和保护模块。
6.一种倒立摆系统的控制电路，其特征在于，包括电源接入模块、无线通信模块、鉴相器模块、计数器模块、控制器模块以及双电机驱动模块，由电源接入模块供电，分别输入至无线通信模块、鉴相器模块、计数器模块，各信号传送至控制器模块，控制器模块将计算的控制信号输出至双电机驱动模块，由电机输出端口连接电机。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有电源检测与电量指示模块。
8.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述电源接入模块和所述控制器模块之间设有系统模式选择与设置模块。
9.一种权利要求I所述的倒立摆系统的控制方法，其特征在于，依次包括以下步骤将控制参数输入控制装置；对摆杆进行扰动；控制装置控制电机的转向和转速，进而控制小车状态，使摆杆偏离在可控角度内；若超出可控角度，系统控制失败报警。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制装置的工作过程为 a、启动，系统初始化，电量检测，若电量不足则提示充电，若电量充足则进入下一步骤； b、系统模式选择，离线模式下使用系统自存参数实现控制，在线模式下通过计算机人机交互平台实现控制参数的实时传输和状态量的实时监测； C、按下启动按键，系统采集当前各物理状态量并进行数字滤波，根据状态反馈计算控制输出，输出控制系统； d、判断当前摆杆是否处于可控范围，若超出可控范围，系统自动停止并进行报警，若在可控范围内，则再次进行步骤c。
全文摘要
本发明提供一种倒立摆系统，包括摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器、电机、小车和控制装置，所述摆杆、角度测量编码器、位移测量编码器均安装在小车的车体平台上，摆杆的前后各设有弹片，电机驱动小车的后轮，小车的前轮支撑车体平台的平衡和移动，所述控制装置控制电机的转向和转速。本发明同时还提供上述倒立摆系统的控制电路和控制方法。本发明设备简单，使用方便，成本相对较低，适用于控制理论的学习研究和实践，为广大控制理论学习者提供一个良好的实验平台，为深入研究控制理论提供一个完美的研究对象。
文档编号G05D1/02GK102880181SQ20121032675
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者陈曦, 杨智, 陈健, 叶沃林 申请人:中山大学