本科毕业设计任务书：旋转单级倒立摆系统建模与实物控制

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(完整版)单级倒立摆毕业设计

图1-2 Atmega16引脚图
缺点：价格稍显昂贵，编程较复杂。
方案三：使用STM32F103内部集成了1μs的双12位ADC，可对角度传感器信号进行采集与处理。硬件电路连接较简单，低功耗，系统运行稳定。最高工作频率72MHz，运算速度较快。STM32引脚如图1-3：
图1-3 STM32引脚图
缺点：价格昂贵，编程复杂。
缺点：扭矩较大，反应动作较慢，价格昂贵。
方案三：采用直流电机，直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便(可无级调速)、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高的优点。
图1-1 8051引脚图
缺点：51单片内部资源有限，内部没有集成的A/D转换器，在一些需要数据采的应用场合，需要外扩A/D转换器，硬件连接较复杂，给系统设计过程带来不便。
方案二：使用atmega16内部集成了10位A/D转换器，可对角度传感器信号进行采集与处理，还集成了PWM的功能，硬件电路连接较简单，系统运行稳定。运算速度较快。Atmega16简介:ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；停电模式时晶体振荡器[1]停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。引脚图如图1-2:

一级倒立摆的建模及控制分析

直线一级倒立摆的建模及控制分析摘要：本文利用牛顿—欧拉方法，建立了直线型一级倒立摆系统的数学模型。

在分析的基础上, 采用状态反馈控制中极点配置法设计了用于直线型一级倒立摆系统的控制器。

此外，用MATLAB 仿真绘制了相应的曲线并做了分析。

一、问题描述倒立摆控制系统是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域和多种技术的有机结合，其被控系统本身是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，是控制理论研究中较为理想的实验对象。

它为控制理论的教学、实验和科研构建了一个良好的实验平台，促进了控制系统新理论、新思想的发展。

倒立摆系统可以采用多种理论和方法来实现其稳定控制，如PID，自适应、状态反馈、智能控制等方法都己经在倒立摆控制系统上得到实现。

由于直线一级倒立摆的力学模型较简单，又是研究其他倒立摆的基础，所以本文利用所学的矩阵论知识对此倒立摆进行建模和控制分析。

二、方法简述本文利用牛顿—欧拉方法，建立了直线型一级倒立摆系统的数学模型。

在分析的基础上, 采用状态反馈控制中极点配置法设计了用于直线型一级倒立摆系统的控制器。

此外，用MATLAB 仿真绘制了相应的曲线并做了分析。

三、模型的建立及分析3.1 微分方程的推导在忽略了空气阻力，各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如下图1所示。

图1 直线一级倒立摆系统假设 M 为小车质量；m 为摆杆质量；b 为小车摩擦系数；l 为摆杆转动轴心到杆质心的长度；I 为摆杆惯量；F 为加在小车上的力；x 为小车位置；φ为摆杆与垂直向上方向的夹角；θ为摆杆与垂直向下方向的夹角。

图2是系统中小车和摆杆的受力分析图。

其中，N 和P 为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。

值得注意的是: 在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已确定, 因而矢量方向定义如图2所示, 图示方向为矢量正向。

(a) (b)图2 小车和摆杆的受力分析图分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：N x b F x M --= (1)由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：θθθθs i n c o s 2ml ml x m N -+= (2) 把这个等式代入上式中，就得到系统的第一个运动方程：()F ml ml x b x m M =-+++θθθθsin cos 2 (3)为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：θθθθc o s s i n 2 ml ml mg P --=- (4) 力矩平衡方程如下：θθθI Nl Pl =--cos sin (5)合并这(4)、(5)两个方程，约去P 和N ，得到第二个运动方程：()θθθc o s s i n 2x ml mgl ml I -=++ (6) 假设φ与1(单位是弧度)相比很小，即φ《1，则可以进行近似处理：0d d s i n 1c o s 2=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=t θφθθ，， (7) 用u 来代表被控对象的输入力F ，线性化后两个运动方程如下：()()⎩⎨⎧=-++=-+u ml x b x m M xml mgl ml I φφφ 2 (8) 3.2 状态空间方程方程组(8)对φ，x 解代数方程，整理后的系统状态空间方程为： ()()()()()()()()u Mm l m M I m l Mm l m M I m lI x x Mm l m M I m M m gl Mm l m M I m lbMm l m M I gl m Mm l m M I b m l I x x ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++++⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+++++-+++++-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡222222222200001000000010φφφφ u x x x y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0001000001φφφ 对于质量均匀分布的摆杆有：3/2ml I =，于是可得：()x ml mgl ml ml =-+φφ223/ 化简得：xll g 4343+=φφ设}{x u x x X ==1，，，，φφ ，则有：14301004300100000000010u l x x l g x x⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡φφφφ10001000001u x x x y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=φφφ 3.3 实际系统模型实际系统模型参数: M =1.096 Kg ；m =0.109 Kg ；b =0.1 N/m/s ； l =0.25 m ；I =0.0034 kg ·m ·m ；采样频率 T =0.005 s 。

毕业设计(l论文)任务书

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）任务书毕业设计题目：旋转式倒立摆的实验系统设计及模糊控制算法研究适用专业：自动化专业学生信息：学号108978 姓名：胡利兵班级：自动化C102指导教师信息：姓名：梁涛职称：副教授下达任务日期：2014年2月26日课题简介：倒立摆是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定的非最小相位系统，是重心在上、支点在下控制问题的抽象。

在许多控制方法的研究过程中，科研人员往往因为不能找到合适的实际控制对象，使得许多研究成果失去了继续完善发展的机会，造成了科研资源的浪费。

作为一种理想的控制对象平台，倒立摆结构简单、成本较低，可以有效地检验众多控制方法的有效性，在控制方法的实验和研究上有很重要的地位。

许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、收敛速度和抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观地表现出来。

课题要求：鉴于现代控制理论方法在旋转倒立摆控制中存在的线性化问题的局限，将模糊控制引入实验系统，设计单级旋转倒立摆模糊控制器，进行实物控制，总体控制效果较好。

由于在平衡点附近，模糊控制方法的控制效果不非常理想。

因此需要进一步改善系统控制性能，本课题要求将模糊控制与线性二次型最优控制策略结合，设计基于LQR的自校正模糊控制器，通过实验结果验证是否能有效地改善旋转倒立摆模糊控制系统的动态特性，从而既解决平衡点附近局部线性化的局限性问题，提高了系统的鲁棒性和抗干扰性，同时又增强了控制器的适用范围。

主要参考文献：[1]朱玉奇. 旋转式倒立摆的控制研究[J]. 科技信息,2009,32:88-89.[2]江晨,王富东. 旋转式倒立摆系统的算法研究及仿真[J]. 工业控制计算机,2010,05:54-56.[3]程俊,王永,黄南晨,吴刚,卿志远,孙德敏. 旋转式倒立摆计算机控制系统[J]. 电机与控制学报,2001,04:277-280.[4]李红星,骆柄璋,李刚阳. 旋转式倒立摆的状态变量合成模糊控制[J]. 北京联合大学学报(自然科学版),2006,04:15-18.[5]姜倩,管凤旭. 旋转式倒立摆的镇定和摆起控制的研究[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2007,03:322-324.[6]李凌,袁德成,井元伟. 旋转式倒立摆系统控制策略研究[J]. 实验室研究与探索,2006,01:21-23+46.[7]王敏,苏晓鹭,王淼. 旋转式倒立摆控制策略[J]. 大连海事大学学报,2007,S2:155-157+161.[8]娄万军,张晓娟,杨继宏. 基于模糊逻辑控制的倒立摆系统[J]. 大众科技,2004,07:54-57.[9]徐静. 旋转式倒立摆的稳定控制研究[D].山东大学,2009.[10]江晨. 旋转式倒立摆的控制算法研究及实验系统设计[D].苏州大学,2010.[11]贺廉云. 基于模糊控制的旋转式倒立摆控制算法研究[D].山东大学,2006.[12]Q. Feng, K. Yamafugi. Design and simulation of control systems of an invertedpendulum. Robotica, 6 (1988), p. 235[13] Maravall, Darío. Hybrid fuzzy control of the inverted pendulum via verticalforces.International Journal of Intelligent Systems, Volume 20, February 2005, Pages 195-211[14]Kim, Hyun-Ki; Lee, Dong-Jin; Oh, Sung-Kwun. Design of optimized fuzzycontroller for rotary inverted pendulum system using differential evolution.Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Volume 60, February 2011, Pages 407-415方法要求：1．了解旋转式倒立摆及模糊控制算法的相关知识2．设计基于LQR的自校正模糊控制器，改善旋转倒立摆模糊控制系统的动态特性3．利用模糊控制方法的控制在平衡点附近达到非常理想效果4．实现硬件连接，进行实物控制，增强了控制器的适用范围5. 对已经完成的工作进行总结，进一步改善系统控制性能过程要求：查阅资料，方案论证与设计，实验论证，得出结论。

毕业设计-倒立摆44

Key words : an inverted pendulum, PID control and MATLAB simulation
II
洛阳理工学院毕业设计（论文）
目
录
前言 ...................................................................................................... 1 第 1 章倒立摆 .................................................................................... 2 1.1 倒立摆的意义 ......................................................................... 2 1.2 倒立摆的分类 ......................................................................... 2 1.3 倒立摆的组成 ......................................................................... 4 1.4 倒立摆的控制方式 ................................................................. 5 1.5 倒立摆的原理简述 ................................................................. 5 第 2 章直线一级倒立摆数学模型..................................................... 7 2.1 直线倒立摆的运动方程的推导 ............................................. 7 2.2 传递函数. .............................................................................. 9 2.3 状态空间的结构方程 ........................................................... 10 2.4 倒立摆实际系统模型 ........................................................... 10 第 3 章 MATLAB 仿真软件应用 ..................................................... 12 3.1 MTALAB 系统主要部分 ..................................................... 12 3.2 MATLAB 的主要特点 .......................................................... 12 3.3 MATLAB 的仿真工具 SIMULINK .................................... 13 3.4 采用 MATLAB 语句形式进行仿真 ...................................... 14 第 4 章 PID 控制理论 ....................................................................... 16 4.1 PID 控制概述 ........................................................................ 16 4.2 常用的数字 PID 控制系统 .................................................. 16 4.3 PID 控制原理特点 ................................................................ 17 4.4 PID 参数的调整 .................................................................... 18 4.5 PID 控制回路的运行 ............................................................ 19 第 5 章直线一级倒立摆的 PID 控制与调节................................... 21 5.1 PID 控制器的设计 ................................................................ 21 5.2 PID 控制器的 MATLAB ...................................................... 23 结论 .................................................................................................. 28 谢辞 .................................................................................................. 29

单级倒立摆系统课程设计

单级倒立摆系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解单级倒立摆系统的基本原理，掌握其数学模型和动力学特性；2. 学会分析单级倒立摆系统的稳定性，并掌握相应的控制策略；3. 掌握利用传感器和执行器实现单级倒立摆系统的实时控制方法。

技能目标：1. 能够运用所学的理论知识，设计并搭建单级倒立摆实验系统；2. 能够编写程序，实现对单级倒立摆系统的实时控制，使系统保持稳定；3. 能够分析实验数据，优化控制参数，提高系统性能。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理系统控制原理的兴趣，激发学生探索科学技术的热情；2. 培养学生的团队协作意识和解决问题的能力，增强学生的自信心；3. 引导学生关注科技创新，认识到所学知识在实际应用中的价值。

课程性质：本课程为理论与实践相结合的课程，旨在帮助学生将所学的理论知识应用于实际系统中，提高学生的实践能力和创新能力。

学生特点：学生具备一定的物理、数学基础，对控制原理有一定了解，但实践经验不足。

教学要求：注重理论与实践相结合，鼓励学生动手实践，培养解决实际问题的能力。

在教学过程中，注重引导学生自主学习，培养学生的创新意识和团队协作精神。

通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际系统，提高自身综合素质。

二、教学内容1. 理论知识：- 单级倒立摆系统的基本原理及数学模型；- 单级倒立摆系统的稳定性分析；- 控制策略及控制算法在单级倒立摆系统中的应用；- 传感器和执行器在单级倒立摆系统中的作用及选型。

2. 实践操作：- 搭建单级倒立摆实验系统；- 编写程序实现实时控制；- 调试优化控制参数；- 分析实验数据，提高系统性能。

3. 教学大纲：- 第一周：介绍单级倒立摆系统基本原理，学习数学模型，进行稳定性分析；- 第二周：学习控制策略及控制算法，探讨其在单级倒立摆系统中的应用；- 第三周：了解传感器和执行器，学习其在单级倒立摆系统中的作用及选型；- 第四周：分组搭建单级倒立摆实验系统，进行程序编写和实时控制；- 第五周：调试优化控制参数，分析实验数据，提高系统性能。

旋转倒立摆的毕业设计

太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：基于单片机控制的旋转倒立摆系统（硬件设计）原始资料：一、任务设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。

旋转倒立摆的结构。

电动机固定在支架上，通过转轴驱动旋转臂旋转。

摆杆通过转轴固定在旋转臂的一端，当旋转臂在电动机驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆在垂直于旋转臂的平面作自由旋转。

二、基本要求（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°；（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动角度不大于90°。

毕业设计（论文）主要内容：1、Abstract部分。

论文首先进行摘要的编写，即英文和中文摘要；具体为本文主要介绍基于单片机控制的选择倒立摆。

通过分析倒立摆的的系统原理，可以使倒立摆旋转起来。

2、绪论部分(包括引言）。

主要包括课题研究地意义、倒立摆研究历史及其现状、倒立摆的控制规律、PID控制现状分析与研究以及论文的主要工作3、倒立摆简介。

包括倒立摆系统组成、实物图片、公式、主要原理以及现有控制方法；对主控制器件的论证与选择。

包括控制器选用，控制方案的选择，角度的获取模块论证与选择，步进电机及其驱动模块的选择。

4、对系统硬件的设计，包括总电路图，系统框图和各模块的原理图。

5、PID和模糊控制简介及控制算法。

6、参考文献及心得体会，总结主要参考文献：[1]李国勇.自动控制原理[M].电子工业出版社.2010.[2]李晓林，牛煜光，闫高伟.单片机原理及接口技术[M].电子工业出版社.2011.[3]王桔.简易旋转倒立摆及控制装置[J].长春大学学报.2013（12）：1538-1540.[4]吕昊然.简易旋转倒立摆及控制装置设计[J].电子世界.2013（23）：135-136.[5]包敬海，覃贵寿.基于STM32和增量PID的旋转倒立摆的设计[J].钦州学院学报.2013（11）：10-14.[6]王招治.基于MATLAB的旋转倒立摆的控制与仿真分析[J].机电技术.2012(4):36-39.[7]Miller&Frederic P.Inverted Pendulum[M].VDM Verlag Dr. Mueller e.K.2010.[8]Olivares M&Albertoes P.Linear control of the flywheel inverted pendulum[J].ISA Transactions.2014.Vo1.543-547.[9]Kot,Andrzej.Bi-axial inverted pendulus modelling[A].Carpathian Control Conference (ICCC),2013 14th International.[10]曹建平.单级旋转倒立摆的控制系统设计[J].自动化应用.2014(4):32-34.[11]陆斌，郭燕飞.基于C8051F020单片机的简易旋转倒立摆系统[J].工业控制计算机.2014(2):123-124.[12]刘峰.基于模糊控制的单级旋转倒立摆系统设计.科技创新导报.2014夏(2):83.[13]汪雨寒，夏洪浩，杨思亚.简易旋转倒立摆及控制装置的系统设计.大学物理实验.2014（4):37-39.[14]李保林，吕跃，袁浩.一级旋转倒立摆的模糊控制[J].实验室科学.2008(5):77-79.[15]Li,Zhi jun.Advanced Control of Wheeled Inverted Pendulum Systems[M].Springer.2012.学生须提交的文件：1、内容完整、层次清晰、叙述流畅、排版规范的毕业设计论文；2、包括毕业设计论文、源程序等内容在内的毕业设计电子文档及其它相关材料。

单级倒立摆系统建模与控制器设计

得：
状态空间表达式
单级倒立摆系统的模型分析根据小车质量，摆杆质量，摆杆转动轴心到杆质心的长度和摆杆质量的具体数值，用Matlab 求出系统的状态空间方程各矩阵。
程序1.M = 0.5; m = 0.2; I= 0.006; g = 9.8; l = 0.3; A=[0 1 0 0 0 0 3*M*g/(4*M+m) 0 00 0 1 0 0 3*(M+m)*g/((4*M+m)*l) 0]; C=[1 0 0 0 B=[0 0 0 1 0]; 4/(4*M+m) D=[0 0 0]; 3/((4*M+m)*l)];
摆杆不受外力干扰但是摆杆有一个小的初始偏角程序2
系统开环初值响应曲线
由系统的开环初值响应曲线可知，系统是不稳定的，这与我们的经验是相符合的。
摆杆初始位置在竖直状态，但是小车收到一个脉冲干扰的情况。MATLAB程序如下：
系统开环脉冲响应曲线
由系统的开环脉冲干扰响应曲线可知，系统是不稳定的，这与我们的经验也是相符合的。
显然，因为系统有一个特征值为正实数5.5841，故系统是不稳定的。
单级倒立摆系统的极点配置控制器设计
单级倒立摆系统控制器设计的目标单级倒立摆系统控制器设计的目标是：通过对小车的左右移动使得摆杆保持在竖直的位置。且对于小车所给的阶跃输入信号，满足如下设计指标：
1、小车位置x和摆杆角度θ的稳定时间小于5秒； 2、位置x的上升时间小于0.5秒； 3、摆杆角度的超调量小于20度（0.35弧度）。
总结与收获
通过对单级倒立摆的建模与仿真学到了一下知识
1、首先要将现实中系统转化相应的物理结构 2、充分掌握建立状态空间方程的过程 3、了解配置极点控制器以及PID控制器的方法 4、对MATLAB软件有了一个初步功能的了解

倒立摆课程设计倒立摆系统的控制器设计

倒立摆课程设计--倒立摆系统的控制器设计自动控制理论课程设计倒立摆系统的控制器设计学生姓名：指导教师：班级：重庆大学自动化学院二O一三年一月课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度完成各项工作技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信用、调查调研比较合理、可信能力，主要文献引用、调查调研比较可信查调研有较大的问题创新1有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书5结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语结构合理，符合逻辑，文章层次分明，结构合理，层次较为分结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚内容空泛，结构混乱，文字表达、图纸)撰写质量言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名：年月日重庆大学本科学生课程设计任务书课程设计题目倒立摆系统的控制器设计学院自动化学院专业自动化年级 2010级1、已知参数和设计要求：M ：小车质量 1.096kg m ：摆杆质量 0.109kg b ：小车摩擦系数 0.1N/sec l ：摆杆转动轴心到杆质心的长度 0.25m I ：摆杆惯量 0.0034kgm 2建立以小车加速度为系统输入，以摆杆角度为系统输出的被控对象数学模型。

本科毕业设计任务书：旋转单级倒立摆系统建模与实物控制

系信控系主任批准日期 2015-3-6毕业设计（论文）任务书信息与控制工程系自动化专业 ×× 班学生 ×× 一、毕业设计(论文)课题旋转单级倒立摆系统建模与实物控制二、毕业设计(论文)工作自 2015 年 3 月 2 日起至 2015 年 6 月 28 日止三、毕业设计(论文)进行地点学科2号楼801实验室四、毕业设计(论文)的内容要求1、设计目的倒立摆系统自身是一个典型的绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统。

许多抽象的控制理论概念如系统的可控性、稳定性、系统的抗干扰能力和系统的快速性等，都可以由倒立摆系统直观地展示出来。

近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。

因此倒立摆系统是一个研究和验证先进控制算法性能的一个优秀平台。

目前国内外关于倒立摆的研究大都集中在直线型倒立摆系统，旋转倒立摆的研究较少。

本次毕业设计以加拿大QUANSER 公司的旋转单级倒立摆为研究对象，采用机理建模法建立其动力学模型，在此基础上分析该倒立摆系统的性能，并设计控制器实现平衡控制且动态性能满足%16.3%,3s t s σ≤≤。

通过此次毕业设计使学生具备如下能力：①通过毕业设计，熟悉和掌握建立实际物理系统模型的能力；②利用经典控制理论和现代控制理论对控制系统进行系统性能分析和控制器设计的能力；③利用MATLAB /SIMULINK 实现控制系统建模、仿真、实物控制并对实验结果进行分析的能力。

④查阅相关中英文文献，了解典型运动控制对象-旋转倒立摆控制技术的前沿发展动态；2、设计要求（1）建立所用的旋转单级倒立摆系统的数学模型并分析系统的性能。

（2）根据给定的性能指标，分别设计满足要求的LQR 控制器和变结构控制器，在MATLAB 环境下实现上述两种控制算法。

单级倒立摆系统的建模与控制器设计

单级倒立摆系统的建模与控制器设计摘要：本文主要研究的是单级倒立摆的建模、控制与仿真问题。

倒立摆是一类典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统。

由于在实际中有很多这样的系统，因此对它的研究在理论上和方法论上均有深远的意义。

本文首先建立了单级倒立摆的数学模型，对其进行了近似线性化处理，得到了它的状态空间描述，并对系统的开环特性进行了仿真和分析。

然后，基于极点配置方法设计了单级倒立摆系统的控制器。

最后，用Matlab对系统进行了数值仿真，验证了所设计的控制算法的有效性。

关键词：单级倒立摆；极点配置；建模与控制目录1 绪论 (3)2 单级倒立摆系统的建模与分析 (4)2.1单级倒立摆系统的建模 (4)2.2单级倒立摆系统的模型分析 (8)3 单级倒立摆系统的极点配置控制器设计 (13)3.1单级倒立摆系统控制器设计的目标 (13)3.2单级倒立摆系统的能控性分析 (13)3.3单级倒立摆系统的极点配置控制器设计 (14)3.4闭环系统仿真分析 (16)4 结论 (20)致谢 (21)参考文献 (22)1 绪论倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，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。

对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。

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。

通过对它的研究不仅可以解决控制中的理论和技术实现问题，还能将控制理论涉及的主要基础学科：力学，数学和计算机科学进行有机的综合应用。

其控制方法和思路无论对理论或实际的过程控制都有很好的启迪，是检验各种控制理论和方法的有效的“试金石”。

倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。

在多种控制理论与方法的研究与应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的实验问题，使其理论与方法得到有效检验，倒立摆就能为此提供一个从理论通往实践的桥梁，目前，对倒立摆的研究已经引起国内外学者的广泛关注，是控制领域研究的热门课题之一。

课程设计--单自由度倒立摆

单自由度倒立摆设计一、摘要倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，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。

对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。

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。

因此对它的研究在理论上和方法论上都有深远的意义。

本文简单研究单级倒立摆的组成及其数学模型和控制方法，用simulink对控制系统进行仿真。

二、方案详细阐述单级倒立摆本体结构简单，主要部件有：交流伺服电机（或直流电机），同步带。

增量式光电编码器，小车，摆杆，滑杆和限位开关。

整体结构如下图：控制硬件由计算机，运动控制器和光电码盘组成，硬件组成示意图：运动过程：小车由电机通过同步带驱动在滑杆上来回运动，保持摆杆平衡。

电机编码器和角编码器向运动卡反馈小车和摆杆位置。

控制方法：倒立摆系统的输入为小车的位移（即位置）和摆杆的倾斜角度期期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动电机实现倒立摆的实时控制。

直流电机通过皮带带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。

作用力u平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。

当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置（竖直向下）。

为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。

三、机械设计原理分析和说明单自由度倒立摆整体示意图如上图示。

三、系统建模与分析单级倒立摆的物理模型倒立摆的物理构成可以表述为：光滑的导轨，与导轨存在很大摩擦阻力的小车，和一个质量块的摆杆。

单级移动倒立摆系统建模及性能分析

自动控制原理课程设计题目单级移动倒立摆系统建模及性能分析学生姓名学号学院专业指导教师二Ｏ一Ｏ年 5 月15日南京信息工程大学本科生课程设计任务书注：此表由指导教师课程设计工作开始前填写，每位学生两份，一份发给学生，一份交学院留存。

南京信息工程大学本科生学年论文（课程设计）指导教师评阅意见表目录1 系统介绍2 单级倒立摆的数学模型3 系统稳定性分析4 分析相角裕度和截止频率5 系统动态性能分析6 系统仿真7 总结与体会参考文献摘要倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量和不稳定系统，作为控制系统的被控对象，通过以单级倒立摆为被控对象，来掌握控制系统的数学模型的建立方法和及控制系统的调试方法，掌握MATLAB仿真软件的使用方法。

本次课程设计包含如下几个内容：[1]研究该装置的非线性数学模型，并提出合理的线性化方法，建立该装置的线性数学模型－传递函数（以u为输入，为输出）；[2]用画根轨迹方法对系统进行稳定性分析,用BODE图求出系统的相角裕度和截止频率.[3]用Matlab求系统阶跃响应.1系统介绍单级倒立摆系统的结构示意图如图1所示。

图1 单级倒立摆系统示意图图示为一个倒立摆装置，该装置包含一个小车和一个安装在小车上的倒立摆杆。

由于小车在水平方向可适当移动，因此，控制小车的移动可使摆杆维持直立不倒。

2M kg m kg l m g m s====1,0.2,0.5,10/系统组成的框图如图2所示。

施加外力运动状态摆角θ图2 单级倒立摆系统组成框图系统通过给小车施加外力，使摆杆与小车相互作用，达到平衡，维持不倒。

2 单级倒立摆的数学模型对系统建立数学模型是系统分析、设计的前提，为了简化分析，忽略空气阻力，仅考虑小车与倒立摆之间的摩擦力。

将倒立摆系统看成简单的小车与单级摆组成的系统。

在水平方向施加控制力u，相对参考坐标系产生位移x 。

建立系统的线性数学模型－传递函数（以u为输入，θ为输出）。

设小车瞬时位置为，摆心瞬时位置为在水平方向，由牛顿第二定律即：在垂直方向：惯性力矩与重力矩平衡即:2sin 0,cos 1,θθθθθ≈≈很小时，忽略项则有：联立求解并进行拉氏变换：则传递函数为3 系统稳定性分析代入参数,M =1kg,m =0.5kg,l =0.5m,用如下程序将传递函数在MATLAB 中表示出来: num=[-1]den=[0.5,0,-7.5] sys=tf(num,den)用MATLAB 显示为:x(sin )x l θ+2222(sin )d x d M m x l u dt dtθ++=2()cos sin M m x ml ml uθθθθ++-=22(sin )cos sin d m x l l mgl dt θθθ⎡⎤+=⎢⎥⎣⎦22cos cos sin cos sin x l l g θθθθθθθ+-=)M m x ml u θ++=（x l g θθ+= 2)(1)()(Mls g M m s u s -+=θ用如下程序将传递函数的根轨迹图在MATLAB中表示出来:num=[-1]den=[0.5,0,-7.5]rlocus(num,den)用MATLAB做出的根轨迹如图3所示:图3 校正前系统根轨迹由于系统在右半平面有极点,因此为非稳定系统.4 分析相角裕度和截止频率利用下列程序MATLAB中画出BODE图,并算出相角裕度和截止频率: num=[-1]den=[0.5,0,-7.5]sys=tf(num,den)[mag,phase,w]=bode(num,den)[gm,pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w)margin(sys)用MATLAB做出BODE图如图4所示:图4 校正前系统BODE图gm = Inf ,pm = Inf, wcg = NaN ,wcp = NaN其中gm为幅值裕度, pm为相角裕度,wcg为相角交界频率,wcp为截止频率.所画的BODE图没有穿过频率轴,使的没有截止频率和相角裕度.4系统阶跃响应因为求单位阶跃响应要求在闭环条件下,求出闭环传递函数为:利用如下程序在MATLAB中对系统绘制单位阶跃响应:num=[2]den=[-1,0,17]step(num,den)系统单位阶跃响应如图5所示:图5 系统单位阶跃响应因为系统为不稳定系统,所以当它时间趋于无穷时,它的幅值并不趋于输入信号,即不会趋近于1.、5系统动态性能分析（用公式计算各动态指标，根据系统的阶次）5.1延迟时间的计算5.2 上升时间的计算5.3峰值时间的计算5.4 超调量的计算5.5 调节时间的计算5.6 使用MATLAB求系统各动态性能指标num=[0,0,2.7]; %设置分子的系数den=conv([1, 0.8, 0.64],[a, 1]); %设置分母的系数G=tf(num,den);t=0:0.01:30; % 从0到30每隔0.01取一个值c=step(G, t); % 动态响应的幅值赋给变量Cplot(t,c) %绘制二维图形，横坐标取t，纵坐标取c grid % 绘制网格线[y,x,t]=step(num,den,t); %求系统单位阶跃响应maxy=max(y) % 求取响应的最大值ys=y(length(t)) %求取响应的终值pos=(maxy-ys)/ys %求取超调量n=1;while y(n)<0.5*ysn=n+1;endtd=t(n) %求取延迟时间n=1;while y(n)<ysn=n+1;endtr=t(n) %求取上升时间n=1;while y(n)<maxyn=n+1;endtp=t(n) %求取峰值时间L=length(t);while (y(L)>0.95*ys)&(y(L)<1.05*ys)L=L-1;endts=t(L) %求取调节时间title('Unit-Step Response of G(s)朱雷(1)') %设置Matlab 图的标题6系统仿真在MATLAB命令窗口中输入SIMULINK,然后点File→New→Model,在SOURCE 中选择STEP模块,在SINKS中选择SCOP模块,在CONTINUOUS中选择传递函数,双击更改极点和零点,用直线将模块连接后,点击START,双击示波器,即可看到仿真图形.系统MATLAB仿真图形如图6所示;图6 系统MATLAB仿真图形7总结与体会参考文献[1]自动控制原理,胡寿松,科学出版社,2007-7[2] 自动控制原理的MA TLAB实现,黄忠霖,国防工业出版社,2007-2[3] 自动控制原理与设计，美）富兰克林（Franklin G.F.），（美）鲍威尔（Powell J.D.），（美）那诶尼（Naeini A.E.）著，李中华，张雨浓译，人民邮电出版社，2007-11-1[4][5]。

毕业论文（设计）单级倒立摆lqr控制器的设计及仿真

毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：单级倒立摆LQR控制器的设计及仿真II、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1、在深入了解倒立摆的基础上，熟悉单级倒立摆控制的基本原理2、了解单级倒立摆控制的发展趋势。

3、熟悉线性系统的基本理论和非线性系统线性化的基本方法。

4、建立单级倒立摆的数学模型，并编写MATLAB程序，完成倒立摆的仿真。

I I I、毕业设计(论文)工作内容及完成时间：工作安排如下：1、查阅文献，翻译英文资料，书写开题报告第1---4周2、相关资料的获取和必要知识的学习第5---9周3、设计系统的硬件和软件模块并调试第10--14周4、撰写论文第15--17周5、总结，准备答辩第18周Ⅳ、主要参考资料：1．阳武娇.基于MATLAB的一阶倒立摆控制系统的建模与仿真[J].电子元器件应用.2007，9(1):29-312 .杨世勇，徐莉苹，王培进.单级倒立摆的PID控制研究[J].控制工程.2007,14:23-53.3．黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真[M].北京：国防工业出版社，2006．4．薛安客，王俊宏．倒立摆控制仿真与实验研究现状[J].杭州电子工业学院学报.2002，21(6):25-27.5 .徐征.基于遗传算法的PID控制器参数寻优方法的研究[D].武汉：武汉大学，2004．6．Takahas M，Narukawa T，Y oshida K．Intelligent transfer andstabilization control to unstable equilibrium point of double inverted pendulum．Int SICE 2003 Annual Co nfeFence，2003，2：1451-145.信息工程系自动化专业类1082022班学生（签名）：填写日期： 2014 年 1 月 10 日指导教师（签名）：助理指导教师(并指出所负责的部分)：信息工程系主任（签名）：单级倒立摆LQR控制器的设计及仿真摘要：单级倒立摆系统是一个典型多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。

毕业设计--倒立摆

直线一级倒立摆的计算机控制摘要倒立摆是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，基于牛顿―欧拉方法建立了直线一级倒立摆系统的数学模型，并分析其稳定性及可控性。

论文中应用的两种控制算法是PID控制和状态反馈极点配置控制:PID控制器结构简单，容易调节,但是PID控制器存在的缺陷是只能单一的对摆杆进行控制而不能对小车进行控制。

极点配置法通过设计状态反馈控制器将多变量系统的闭环系统极点配置在期望的位置上，基于极点配置控制器进行了MATLAB仿真，并且结合实物实验完成直线一级倒立摆的控制研究。

关键词：直线一级倒立摆，PID控制，极点配置，MATLAB仿真Computer control of Linear inverted pendulumAbstractThe controlled system of the inverted pendulum is an absolutely instability , high time, multivariable, the nonlinear system of strong coupling , mathematical model of Linear inverted pendulum system is established by Newton ―Euler method, and analyzed its stability and controllability.PID controller its simple structure, easy to adjust, and without needing to build an accurate model of the system, the control application is more extensive. However, defect of PID controller is that it can only control the pendulum and can not control the car. Pole placement will configure closed-loop system’s pole of multivariable system in the desired position, going on the MATLAB simulation based on Pole placement controller, and combined physical experiments to complete Linear Inverted Pendulum Control.Key words: linear inverted pendulum, PID control, pole placement, MATLAB simulation目录第一章绪论 (1)1.1 课题的背景及意义 (1)1.2 倒立摆的控制目标 (1)1.3 倒立摆的控制方法 (1)1.4 倒立摆系统的发展状况 (2)1.5 本文研究的主要内容和思路 (3)第二章直线一级倒立摆数学模型的建立 (5)2.1 直线一级倒立摆系统运动方程的推导 (5)2.2 系统的物理参数 (9)2.3 系统的实际模型 (9)2.4 直线一级倒立摆系统的分析 (10)2.5 本章小结 (13)第三章直线一级倒立摆的PID控制 (14)3.1 PID控制原理 (14)3.2 仿真软件MATLAB/Simulink简介 (16)3.3 PID控制参数设定及仿真 (16)3.3.1 PID参数整定的基本方法 (16)3.3.2 采用PID控制的仿真研究 (17)3.5 本章小结 (22)第四章状态反馈极点配置控制 (23)4.1 状态空间分析 (23)4.2 极点配置及仿真 (25)4.2.1 反馈矩阵的设计 (25)4.2.2 状态反馈极点配置仿真 (28)4.3 极点配置实时控制实验 (29)4.3.1 实时控制软件简介 (29)4.3.2 实时控制结果 (30)4.4 本章小结 (31)结束语 (32)参考文献 (33)致谢 (34)第一章绪论1.1 课题的背景及意义倒立摆系统作为研究控制理论的一种典型的实验装置，具有成本低廉、结构简单、物理参数和结构易于调整的优点。

单级倒立摆控制器设计与实现(本科毕业论文)

控制方法是在倒立摆系统中研究的核心内容。因为对倒立摆这样一个典型的非线性、不稳定、复杂的被控对象进行研究, 无论在理论上还是在方法上都具有重要的意义, 各种控制理论和方法都可以在这里得到充分的验证，并且可以促成不同方法之间的有机结合.到目前为止，倒立摆系统的控制方法主要分为线性控制、预测控制和智能控制三大类。
2)环形倒立摆系列
环形倒立摆是在圆周运动模块上装有摆体组件，圆周运动模块有一个自由度，可以围绕齿轮中心做圆周运动，在运动手臂末端装有摆体组件，根据摆体组件的级数和串连或并联的方式，可以组成很多形式的倒立摆。
3)平面倒立摆系列
平面倒立摆是在可以做平面运动的运动模块上装有摆杆组件，平面运动模块主要有两类：一类是XY运动平台，另一类是两自由度SCARA机械臂；摆体组件也有一级、二级、三级和四级很多种。
4)复合倒立摆系列
复合倒立摆为一类新型倒立摆，由运动本体和摆杆组件组成,其运动本体可以很方便的调整成三种模式，一是2）中所述的环形倒立摆，还可以把本体翻转90度,连杆竖直向下和竖直向上组成托摆和顶摆两种形式的倒立摆。
倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其呗控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。早在二十世纪50年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一阶倒立摆实验设备，此后其控制方法和思路在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途,如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直角度控制、卫星发射架的稳定控制、飞机安全着陆、化工过程控制以及日常生活中所见的任何重心在上、支点在下的控制问题等，均涉及到“倒立摆问题”。而近年来，新的控制方法不断出现.倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台,以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。因此，许多现代控制理论的研究人员一直将它是为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法，相关的科研成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。

单级倒立摆课程设计

单级倒立摆课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握单级倒立摆的基本概念、原理和数学模型；2. 使学生了解单级倒立摆在实际工程中的应用和价值；3. 引导学生运用物理知识分析单级倒立摆的动态特性及稳定性。

技能目标：1. 培养学生运用数学、物理知识解决实际问题的能力；2. 提高学生动手实践能力，学会设计、搭建和调试单级倒立摆控制系统；3. 培养学生团队协作、沟通表达及分析问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 激发学生对物理科学研究的兴趣，培养创新意识和探索精神；2. 引导学生关注我国在倒立摆技术领域的发展，增强国家认同感；3. 培养学生严谨的科学态度和良好的学习习惯。

课程性质：本课程为物理学科实验课程，旨在通过实践操作，让学生深入理解单级倒立摆的原理和应用。

学生特点：本课程针对高中学生，他们在数学、物理基础知识方面有较好的储备，具备一定的动手能力和探究精神。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，引导学生主动参与，提高综合运用知识解决实际问题的能力。

将课程目标分解为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。

二、教学内容1. 理论知识：- 单级倒立摆的基本概念、原理及数学模型；- 倒立摆系统的动态特性分析；- 倒立摆稳定性判据及控制方法。

2. 实践操作：- 搭建单级倒立摆实验装置；- 设计并实现单级倒立摆控制系统；- 调试优化控制系统，实现倒立摆的稳定控制。

3. 教学大纲：- 第一周：单级倒立摆基本概念、原理及数学模型学习；- 第二周：倒立摆系统的动态特性分析；- 第三周：稳定性判据及控制方法学习；- 第四周：实践操作，搭建实验装置；- 第五周：设计并实现单级倒立摆控制系统；- 第六周：调试优化控制系统，总结交流。

教材章节：本教学内容参考课本第十章“自动控制”，具体涉及第1节“倒立摆控制”和第2节“倒立摆控制系统设计”。

教学内容安排和进度：按照教学大纲，每周安排一次课，共计6周。

理论教学与实践操作相结合，保证学生充分理解并掌握单级倒立摆相关知识。

旋转倒立摆设计报告

旋转倒立摆摘要：倒立摆的控制是控制理论研究中的一个经典问题，通过旋转式倒立摆控制系统的总体结构和工作原理，硬件系统和软件系统的设计与实现等方面，对系统模型进行动力学分析，建立合适的状态空间方程，通过反馈方法实现倒立控制，通过反复的实验，记录，分析数据，总结出比较稳定可行的控制方法。

本系统采用STC89C52作为主控制芯片，WDJ36-1高精度角位移传感器作为系统状态测试装置，通过ADC0832将采集的模拟电压量转化为数字量，传送给STC89C52进行分析处理，并依此为依据控制电机的运转状态，间接地控制摆杆的运动状态。

通过不断地测量、分析，并调整系统控制的参数，基本达到了题目的要求，并通过此次的练习，进一步熟悉掌握了单片机的应用，对控制系统的了解和兴趣。

关键词：单片机最小系统； WDJ36-1角位移传感器; 旋转倒立摆；状态反馈；稳定性；目录1.系统方案 (4)1.1 微控制器模块 (4)1.2电机模块 (4)1.3电机驱动模块 (4)1.4角度传感器模块 (5)1.5电源模块 (5)1.6显示模块 (5)1.7最终方案 (6)2.主要硬件电路设计 (6)2.1电机驱动电路的设计 (6)2.2角度检测电路的设计： (7)3.软件实现 (7)3.1理论分析 (7)3.2总体流程图 (7)3.3平衡调节流程图 (9)4 .系统理论分析及计算.................. . (10)4.1系统分析 (10)4.2 摆臂摆角的计算.................. . (10)5．系统功能测试： (10)5.1测试方案 (10)5.2测试结果 (10)5.3测试分析及结论 (10)6.结束语 (11)1.系统方案：1.1 微控制器模块方案一：采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。

采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。