简易旋转倒立摆及控制装置(C题 )
全国电子设计大赛报告
全国电子设计大赛报告 Hessen was revised in January 20212013年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】摘要：通过对该测控系统结构和特点的分析，结合现代控制技术设计理念实现了以微控制器MC9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。
通过采集的角度值与平衡位置进行比较，使用PD算法，从而达到控制电机的目的。
其工作过程为：角位移传感器WDS35D通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过A/D采样后反馈给主控制器。
控制器根据角度传感器反馈信号进行PID数据处理，从而对电机的转动做出调整，进行可靠的闭环控制，使用按键调节P、D 的值，同时由显示模块显示当前的P、D值。
关键字：倒立摆、直流电机、MC9S12XS128单片机、角位移传感器WDS35D、PD算法目录一、设计任务与要求1 设计任务设计并制作一套简易旋转倒立摆及控制装置。
旋转倒立摆的结构如图1所示。
电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。
摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。
如下图所示2 设计要求基本要求：①摆杆从处于自然下垂状态开始，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，外力撤出同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动不大于90°。
发挥部分：①从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立时间不少于10s；②在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内回复倒立状态；③在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过360°。
电赛论文模板
2015年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】2013年9月6日目录1系统方案 (2)1.1电机及驱动方案的论证与选择 (2)1.2传感器采集模块的论证与选择 (2)1.3 控制系统的论证与选择 (2)2系统理论分析与计算 (3)2.1 XXXX的分析 (3)2.1.1 XXX (3)2.1.2 XXX (3)2.1.3 XXX (3)2.2 XXXX的计算 (3)2.2.1 XXX (3)2.2.2 XXX (3)2.2.3 XXX (3)2.3 XXXX的计算 (3)2.3.1 XXX (3)2.3.2 XXX (3)2.3.3 XXX (3)3电路与程序设计 (3)3.1电路的设计 (3)3.1.1系统总体框图 (3)3.1.2 XXXX子系统框图与电路原理图 (4)3.1.3 XXXX子系统框图与电路原理图 (4)3.1.4电源 (4)3.2程序的设计 (4)3.2.1程序功能描述与设计思路 (4)3.2.2程序流程图 (5)4测试方案与测试结果 (5)4.1测试方案 (5)4.2 测试条件与仪器 (5)4.3 测试结果及分析 (6)4.3.1测试结果(数据) (6)4.3.2测试分析与结论 (6)附录1：电路原理图 (7)附录2：源程序 (8)简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】1系统方案本系统主要由电机及驱动模块、传感器采集模块、控制器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1电机及驱动方案的论证与选择方案一：42BY系列混合式步进电机+LN298驱动方案此方案在最先想到以及调试的方案，用步进电机的有点就是正反转切换迅速，无堵转现象，转矩大，负载能力强。
但是42BY系列混合式步进电机响应一拍最小周期为2ms，此时处于电机为最大转速，执行周期长，也就造成系统控制周期长，但是本系统要求调节周期短（我们最终方案采用的是2ms），能够在极短时间内实现一个调节过程，故此方案不能达到预期的效果。
福建农林大学学生参加省级以上各类竞赛奖励汇总表-福建农林大学教务处
全国大学生电子设计竞赛
赵晨
讲师
525
21
张翠云
机电工程学院
讲师
手写绘图板
省二等奖
525
吴碧致、黄蕾、陈福恩
全国大学生电子设计竞赛
林寿英
副教授
975
22
吴锤红
机电工程学院
教授
简易旋转倒立摆及控制装置
省三等奖
650
徐学燊、方斌、郑滨滨
全国大学生电子设计竞赛
赵晨
讲师
350
23
陈学永
机电工程学院
35
刘必雄
计算机与信息学院
讲师
参加现场程序设计
省三等奖
1000
陈志灵
第四届“蓝桥杯”全国软件专业人才设计与创业大赛(福建赛区)
36
刘必雄
计算机与信息学院
讲师
参加现场程序设计
省三等奖
1000
陈龙辉
第四届“蓝桥杯”全国软件专业人才设计与创业大赛(福建赛区)
37
刘必雄
计算机与信息学院
讲师
参加现场程序设计
省二等奖
教授
简易旋转倒立摆及控制装置
全国二等奖
6500
徐凯、汪晓东、林烟泽
全国大学生电子设计竞赛
卢玉宇
高级实验师
3500
19
吴锤红
机电工程学院
教授
简易旋转倒立摆及控制装置
全国二等奖
6500
苏剑辉、蔡国顺、周云飞
全国大学生电子设计竞赛
赵晨
讲师
3500
20
吴锤红
机电工程学院
教授
简易旋转倒立摆及控制装置
省二等奖
倒立摆系统技术报告
倒立摆系统的简介1.1.1倒立摆系统的研究背景及意义倒立摆系统的最初分析研究开始于二十世纪五十年代，是一个比较复杂的不稳定、多变量、带有非线性和强耦合特性的高阶机械系统，它的稳定控制是控制理论应用的一个典型范例。
倒立摆系统存在严重的不确定性，一方面是系统的参数的不确定性，一方面是系统的受到不确定因素的干扰。
通过对它的研究不仅可以解决控制中的理论问题，还将控制理论涉及的相关主要学科：机械、力学、数学、电学和计算机等综合应用。
在多种控制理论与方法的研究和应用中，特别是在工程中，存在一种可行性的实验问题，将其理论和方法得到有效的验证，倒立摆系统可以此提供一个从控制理论通过实践的桥梁。
近些年来，国内外不少专家、学者一直将它视为典型的研究对象，提出了很多控制方案，对倒立摆系统的稳定性和镇定问题进行了大量研究，都在试图寻找不同的控制方法实现对倒立摆的控制，以便检查或说明该方法的严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力，其控制方法在军工、航天、机械人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途，如精密仪器的加工、机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制、导弹拦截控制、航空对接控制、卫星飞行中的姿态控制等方面均涉及到倒置问题。
因此，从控制这个角度上讲，对倒立摆的研究在理论和方法论上均有着深远意义。
倒立摆系统是一个典型的自不稳定系统，其中摆作为一个典型的振动和运动问题，可以抽象为许多问题来研究。
随着非线性科学的发展，以前的采用线性化方法来描述非线性的性质，固然无可非议，但这种方法是很有局限性，非线性的一些本质特征往往不是用线性的方法所能体现的。
非线性是造成混乱、无序或混沌的核心因素，造成混乱、无序或混沌并不意味着需要复杂的原因，简单的非线性就会产生非常的混乱、无序或混沌。
在倒立摆系统中含有极其丰富和复杂的动力学行为，如分叉、分形和混沌动力学，这方面的问题也值得去探讨和研究。
无论哪种类型的倒立摆系统都具有如下特性：(1)非线性倒立摆是一个典型的非线性复杂系统。
全国大学生电子设计大赛论文
2013年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【1101003组】2013年9月7日简易旋转倒立摆及控制装置（C题）摘要本系统采用自制的简易旋转倒立摆及控制装置，以16 位单片机(STC89C51)作为旋转倒立摆的检测和控制核心，以额定电压12V的步进电机驱动，通过加速度传感器（ADXL345）转变的角度传感器测定摆杆角度变化来定位摆杆的位置。
系统采用角度传感器（ADXL345）探测在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动前进；同时通过编码器及PID控制算法实现了步进电机的转速和转向进行调节，以准确找到平衡点位置。
控制器的设计是倒立摆系统的核心内容，主要用到典型的控制器设计理论有PID控制、根轨迹以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论等。
本系统可在较短时间内完成摆杆从自然下垂状态，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，寻找平衡点等任务。
关键词:角度传感器；旋转倒立摆；模糊控制；最优控制理论；目录1系统方案......................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1电机方案的论证与选择 (1)1.2 控制系统方案的论证与选择 (2)1.3 角度测量方案的论证与选择 (2)2系统理论分析与计算 (2)2.1 角度检测模块的分析 (2)2.2 控制方法的理论 (3)2.3 设计思想理论分析 (4)2.4 理论计算 (4)3电路与程序设计 (6)3.1电路的设计 (6)3.1.1系统总体框图 (6)3.1.2 电机驱动模块设计 (7)3.1.3 角度传感器模块 (7)3.1.4电源模块 (7)3.2程序的设计 (7)3.2.1程序功能描述与设计思路 (7)3.2.2程序流程图 (8)4测试方案与测试结果 (8)4.1硬件测试 (8)4.2 测试条件与仪器 (9)4.3 测试结果 (9)4.3.1不同脉冲时间间隔对应速度测试 (9)4.3.2摆杆达到指定高度往复运动的时间测试 (10)4.3.3摆杆达到指定度数的测试 (10)4.3.4摆杆选择和配重平衡测试 (10)4.3.5摆杆完成圆周运动测试 (11)4.3.6基本功能（3）测试 (11)4.3.7测试分析与结论 (12)5结束语 (12)6参考文献 (12)附录1：电路原理图 (13)附录2：电机驱动原理图 (14)附录3：稳压模块原理图 (15)附录4：主程序 (16)附录5：角度传感器子程序 (18)简易旋转倒立摆及控制装置（C 题）【本科组】1系统方案本系统主要由系统模块、角度检测模块、电机驱动模块、电源模块组成。
2013年全国大学生电子设计大赛题目汇总
三、说明
1. 图 1 中的变压器由自耦变压器和隔离变压器构成。 P 2.题中交流参数均为有效值，AC-DC 电路效率 o 100% ，其中 Po U o I o ， Ps Ps U s Is 。 3. 本题定义： （1）负载调整率 SI
U o2 U o1 100% ，其中 Uo1 为 Io=0.2A 时的直流 U o1
（1）在输入交流电压 Us=24V、输出直流电流 Io=2A 条件下，使输出直流电压 Uo=36V±0.1V。 （2）当 Us=24V，Io 在 0.2A～2.0A 范围内变化时，负载调整率 SI ≤ 0.5%。 （3）当 Io=2A，Us 在 20V～30V 范围内变化时，电压调整率 SU ≤ 0.5%。 （4）设计并制作功率因数测量电路，实现 AC-DC 变换电路输入侧功率因数的测 量，测量误差绝对值不大于 0.03。 （5）具有输出过流保护功能，动作电流为 2.5A±0.2A。
3
2 20 8 12 12 12 6 50 15 15 15 5 50
A-3/3
2013 年全国大学生电子设计竞赛试题
参赛注意事项
（1）9 月 4 日 8:00 竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高 职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。 （2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。 （3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生 身份的有效证件（如学生证）随时备查。 （4）每队严格限制 3 人，开赛后不得中途更换队员。 （5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设 计制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违 纪参赛队取消评审资格。 （6）9 月 7 日 20:00 竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》 ，由专人封存。
2013电赛报告
2013年全国大学生电子设计竞赛设计报告题目名称：简易旋转倒立摆及控制装置【本科组C题】参赛队号：201302092013年9月7日2013年“瑞萨杯”全国大学生电子设计竞赛摘要：本系统以STC12C5A60S2单片机最小系统为核心，辅以角度传感器、姿态传感器、开关控制电路、LCD1602显示、电机驱动电路等组成。
该设计利用PWM 调制来控制旋转臂转速的变化，通过角度传感器和姿态传感器检测摆杆角度偏转信号，并将检测到的数值A/D转换后送入调速系统，经LCD1602显示屏进行显示。
也可通过拨码开关控制旋转臂的转速，从而改变摆杆的状态。
该系统实现了通过操作拨码开关控制旋转臂转速的大小，使摆杆状态按要求变化。
关键词：单片机最小系统角位移传感器 A/D转换2013年“瑞萨杯”全国大学生电子设计竞赛目录1.作品简介 (1)2.系统方案论证和比较 (1)2.1系统方案整体实验框图 (1)2.2方案论证与比较 (1)2.1.1输入模块选择 (1)2.1.2调制方式的选择 (2)2.1.3角度传感器的选择 (2)2.1.4显示系统的选择 (2)2.3理论分析与参数计算 (2)2.3.1控制电路 (2)2.3.2角度测量原理与控制算法 (3)3.电路与程序设计 (3)3.1硬件设计 (3)3.1.1角度传感器的设计 (3)3.2软件设计 (3)3.1.1软件主程序流程图 (3)3.1.2程序算法理论分析 (4)4.系统调试与结果分析 (5)4.1系统调试的方法与仪器 (5)4.2系统电路的调试 (5)4.2.1电机的性能测试 (5)4.2.2角度传感器的性能测试 (5)4.3注意事项及解决方案 (6)4.4调试结果分析与总结 (6)5．实验结果的分析与总结 (6)6．参考文献 (6)附录一：部分电路原理图 (1)附录二：程序源代码 (4)1.作品简介本次设计作品以单片机最小系统和角度传感器、姿态传感器为制作核心，同时运用A/D模数转换，PWM调制旋转臂转速、LED声光显示，拨码开关控制等,从摆杆方向上的角位移传感器接收到摆杆角度偏转的信号，经A/D模数转换后，LED显示器进行声光显示。
2013年电子大赛获奖名单
附录1
2013年全国大学生电子设计竞赛山西赛区国家奖获奖名单
本届大赛题目：
A题：单相AC-DC变换电路（本科组）
B题：四旋翼自主飞行器（本科组）
C题：简易旋转倒立摆及控制装置（本科组）
D题：射频宽带放大器（本科组）
E题：简易频率特性测试仪（本科组）
F题：红外光通信装置（本科组）
G题：手写绘图板（本科组）
J题：电磁控制运动装置（专科组）
K题：简易照明线路探测仪（专科组）
L题：直流稳压电源及漏电保护装置（专科组）
附录2
2013年全国大学生电子设计竞赛山西赛区参赛队获奖情况
（本科组）
附录3
2013年全国大学生电子设计竞赛山西赛区参赛队获奖情况
（高职高专组）。
一阶倒立摆实验报告(实验)
一、实验介绍：1、背景介绍 (3)2、倒立摆简介 (3)3、实验目的 (5)4．预备知识 (5)二、实验内容：1．自学掌握MATLAB软件的基本使用方法 (6)2．自学掌握倒立摆的基本知识 (6)3．在MATLAB编程环境下完成以下实验操作 (6)4．在proteus环境下，完成倒立摆电机控制算法的仿真 (6)三、实验步骤：1．直线一阶倒立摆数学模型的推导‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6 2．一阶倒立摆的微分方程模型‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7 3．一阶倒立摆的传递函数模型‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9 4．一阶倒立摆的状态空间模型‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥10 5．实际系统的传递函数与状态方程‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥12 6．用MATLAB的Simulink进行仿真‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13四、实验总结：1、实验结论 (18)2、实验收获 (19)五、参考文献：一、实验介绍：1、背景介绍倒立摆装置被公认为自动控制理论中的典型实验设备，也是控制理论教学和科研中不可多得的典型物理模型。
它深刻揭示了自然界一种基本规律，即一个自然不稳定的被控对象，运用控制手段可使之具有良好的稳定性。
通过对倒立摆系统的研究，不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论所涉及的三个基础学科：力学、数学和电学（含计算机）有机的结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用。
在多种控制理论与方法的研究和应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的试验问题，将其理论和方法得到有效的经验，倒立摆为此提供一个从控制理论通往实践的桥梁。
2、直线一阶倒立摆简介：倒立摆是进行控制理论研究的典型实验平台,可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。
最初研究开始于二十世纪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级倒立摆实验设备。
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。
2013年全国大学生电子设计竞赛(C题)
2013年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置（C题）2013年9月7日摘要旋转倒立摆是一个非线性、强耦合、多变量和自然不稳定系统。
通过它能有效地反映控制过程中诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等多种关键问题，是检验各种控制理论的理想模型。
对倒立摆的研究不仅具有深远的理论意义，而且在航天科技和机器人学领域中也有现实指导性意义。
本作品是基于STC89C52单片机作为核心控制器，以L298N作为驱动电路芯片，利用直流电机PWM调速原理，控制旋转臂的转速，从而控制摆杆的频率和振幅，当二者共振时就实现了摆杆在某一固定角度往复运动，能够实现倒立摆的基本功能。
利用加速度传感器获取摆杆的状态，实现摆杆在固定角度摆动，最终实现在竖直方向倒立，即小范围内摆动而不倒下。
关键词：旋转倒立摆，STC89C52，PWM调速，共振目录1系统方案------------------------------------------------ 1 1.1 设计要求 ------------------------------------------1 1.1.1 任务----------------------------------------1 1.1.2 要求----------------------------------------2 1.1.3 说明----------------------------------------2 1.2 总体设计方案---------------------------------------3 1.2.1 设计思路-------------------------------------3 1.2.2 方案论证与比较-------------------------------5 2单元硬件电路设计-----------------------------------------6 2.1 单片机控制系统设计---------------------------------7 2.1.1 STC89C52最小系统-----------------------------6 2.1.2 AD采集模块电路设计---------------------------6 2.1.3 显示模块电路设计-----------------------------7 2.2 加速度传感器的应用---------------------------------7 2.2.1 MMA7361L原理及应用---------------------------7 2.3 电机驱动模块---------------------------------------7 2.3.1 L298N驱动电路设计----------------------------8 3程序结构与设计-------------------------------------------8 3.1 程序流程图-----------------------------------------9 3.1.1 主程序流程图及算法分析-----------------------9 3.1.2 显示程序设计--------------------------------10 4系统测试------------------------------------------------11 4.1 实验摆角测试-------------------------------------114.2 实验结果分析-----------------------------------11 5参考文献----------------------------------------------12 附录1 总程序附录2 电路原理图简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【XX组】1系统方案本系统主要由电机驱动模块、显示模块、加速度传感器模块，下面详细介绍各模块的选择与特点。
简易旋转倒立摆及控制装置(C题)
简易旋转倒立摆及控制装置（C题）摘要：本系统以由stc12单片机作为中心控制系统，由编码器模块、电机驱动模块、液晶显示模块、电源电路组成。
角度监测模块采用采用双向编码器，实时测量摆杆与垂直方向的夹角；电机驱动部分使用BTS7960驱动芯片驱动直流电机较精确地控制摆杆的灵敏度；人机交互界面采用LCD液晶5110显示摆杆的摆角，具有操作简单，控制界面直观、简洁，系统性能指标达到了设计要求，工作可靠，功耗低，具有良好的人机交互性能。
关键字：stc12编码器BTS79605110显示器Digest：This system by stc12single chip microcomputer as the central control system,by the encoder module,motor drive module,liquid crystal display module,power supply circuit.Point of view,the real time monitoring module adopts the bidirectional encoder measuring Angle of swinging rod and the vertical direction;Motor drive part use BTS7960driver chip driven dc motor accurately control the sensitivity of swinging rod;The human-computer interaction interface adopts LCD liquid crystal display of swinging Angle of swinging rod of5110,with the features of simple operation,intuitive control interface,concise,system performance index has reached the design requirements,reliable operation,low power consumption,has the good man-machine interactive performance.Key words:stc12encoder BTS7960drive5110displays一、引言本题目要求设计一个简易旋转倒立摆及其控制装置，它由三部分构成，系统构成如图1-1：①摆架系统：支架，摆杆，底座，平板，旋转臂，旋转臂连接摆杆顶部固定在电机上；②驱动控制系统：单片机，直流电机，电机驱动器，电源，用以控制电机带动旋转臂转动；③检测系统：通过编码器检测出摆杆与垂直方向的倾角，将数据传给单片机。
单级旋转倒立摆系统
《现代控制理论》课程综合设计单级旋转倒立摆系统1 引言单级旋转倒立摆系统一种广泛应用的物理模型，其物理模型如下：图示为单级旋转倒立摆系统原理图。
其中摆的长度1l =1m ，质量1m =0.1kg ，横杆的长度2l =1 m ，质量2m =0.1kg ，重力加速度20.98/g m s =。
以在水平方向对横杆施加的力矩M 为输入，横杆相对参考系产生的角位移1θ为输出。
控制的目的是当横杆在水平方向上旋转时，将倒立摆保持在垂直位置上。
图1 单级旋转倒立摆系统模型单级旋转倒立摆可以在平行于纸面3600的范围内自由摆动。
倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的推动下，摆杆仍然保持竖直向上状态。
在横杆静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆微小的扰动下，就会使倒立摆的平衡无法复位，这时必须使横杆在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。
作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，故单级倒立摆系统是一个非线性系统。
本文综合设计以以在水平方向对横杆施加的力矩M 为输入，横杆相对参考系产生的角位移1θ为输出，建立状态空间模型，在原有系统上中综合带状态观测器状态反馈系统，从而实现当横杆在旋转运动时，将倒立摆保持在垂直位置上。
2 模型建立本文将横杆和摆杆分别进行受力分析，定义以下物理量：本文将横杆和摆杆分别进行受力分析，定义以下物理量：M 为加在横杆上的力矩；1m 为摆杆质量；1l 为摆杆长度；1I 为摆杆的转动惯量；2m 为横杆的质量；2l 为横杆的长度；2I 为横杆的转动惯量；1θ为横杆在力矩作用下转动的角度；2θ为摆杆与垂直方向的夹角；N 和H 分别为摆杆与横杆之间相互作用力的水平和垂直方向的分量。
倒立摆模型受力分析如图2所示。
图2 倒立摆模型受力分析摆杆水平方向受力平衡方程：2111222(0sin )2l d N m l dt θθ=++（1θ2l —横杆的转动弧长即位移）摆杆垂直方向受力平衡方程：2111122(cos )22l l d H m g m dt θ-=-摆杆转矩平衡方程：22111222sin cos 22d l lJ H N dt θθθ=-横杆转矩平衡方程：21222d M Nl J dt θ-=考虑到摆杆在设定点12,=0θθ附近做微小振动，对上式进行线性化，即N22sin θθ≈，2cos 1θ≈ ，20θ≈&，其中23ml J =，近似线性化得到，()212222222120.10.50.98010.50.5130130d N dt H d H N dt d M N dt θθθθθ⎧=+⎪⎪-=⎪⎪⎨=⋅-⋅⋅⎪⎪⎪-=⎪⎩整理上式可得倒立摆的状态方程：21221114.71524110032M M θθθθθ∙∙∙∙∙∙∙∙⎧-+-⎪⎪⎨⎪+-=⎪⎩ 本文参数代入计算可得：12224.64211.05312.3799.474MMθθθθ∙∙⎧=-+⎪⎨=-⎪⎩&& 取状态变量如下：11213242x x x x x θθθθ∙⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦&112233440010000 4.642011.053000100012.37909.474x x x x M x x xx ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦&&&&故[]1211341000x x y x x θ⎡⎤⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦3 稳定性和能控性分析3.1 稳定性分析判断一个系统是否稳定，只需判断该系统传递函数的极点是否都在左半平面。
湖南人文科技学院简易旋转倒立摆及控制装置
简易旋转倒立摆及控制装置作者：张兵、蒋友才、陈绵壕赛前指导教师：谢四莲、李石林文稿整理辅导老师：谢四莲摘要为了满足旋转倒立摆的控制，本系统采用了STM32微控制器为控制核心，采用模块化的设计方案。
电机驱动模块采用了L298N作为电机驱动芯片，通过PWM波精确控制电机运转。
采用编码器测量旋转角度，能对转轴的旋转作精确测量。
程序设计方面采用了工业过程控制中广泛应用的PID控制器，使系统达到理想的稳态状态。
测试结果表明，旋转臂能够带动摆杆完成题目中的各项要求。
关键词：旋转倒立摆；STM32微控制器；PWM波；编码器AbstractIn the system, STM32 microcontroller is used as the core to control the rotary inverted pendulum with the modular design. L298N, outputting PWM to control the motor precisely, is the motor driver chip in the modular of motor drive and the angle of the rotation axis can be accurately obtained by the angle encoder. In order to enhance the robustness of the system, PID, widely used in industrial process control, is applied in the system. It is shown that the requirements of competition have been done excellently.Keywords: Rotary inverted pendulum ；STM32 microcontrollers; PWM wave; ENC基于STM32微控制器的旋转倒立摆设计1系统方案论证与比较本方案采用双系统模式，由信号采集系统和控制系统组成，两个系统之间由无线模块进行通信。
2014大学生创新创业B类（教学实验室开放）项目
2014大学生创新创业B类（教学实验室开放）项目
结题评审结果
2014年度，我校资助大学生创新创业B类（教学实验室开放）项目99项。
其中国家级重点项目20项，校级重点项目30项，校级一般项目49项。
经实验中心（实验室）推荐，院系审核推荐，学校组织专家对优秀项目进行答辩复审，我校2014年度大学生创新创业项目B类（实验室开放基金）顺利结题。
评出（B类）校级优秀项目21项，包括一等奖5项，包括二等奖7项，包括三等奖9项；院级优秀项目6项；通过项目57项；不合格项目15项。
附件：2014大学生创新创业B类（教学实验室开放）项目评审结果
实验室与资产管理处
2015-6-25
附件：
2014大学生创新创业B类（教学实验室开放）项目评审结果。
大连交通大学2013年校级及以上大学生科技创新竞赛获奖情况汇总表
附件：大连交通大学2013年校级以上大学生科技创新竞赛获奖情况汇总表竞赛成绩指导教师参赛学生作品名称第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖陈少华、曾洁沈巍、张武警、唐琳、乔梅昌商用厨房油烟净化与余热利用系统第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖陈少华、曾洁沈巍、张武警、唐琳、乔梅昌商用厨房油烟净化与余热利用系统一等奖吕斌、费继友于建方、杨龙飞、项阳、赵荣彪、皮姣姣、倪成业、栾诗宇、曲晓伟矿井轨道定点阻拦器一等奖葛宰林赵俊奇、庞德辰、李昱思、马开浪、谢嘉茹、李思达、武琦、张希良直线式永磁海浪发电装置二等奖葛宰林、李永华文怀宇、刘启超、王瑞东、张海、潘野、徐庆昊、何强、李基鹏分级冷却抑制轴承高温锻件网状碳化物生成工艺设备二等奖吕斌、刘晓雪李冰、樊晓伟、夏常玖、贾长风、王灵荷、何倩茜、林帅新型钢丝绳弯曲疲劳试验机二等奖陈少华、曾洁高星宇、查格其、吴运幸、侯一鸣、付安磷酸铁锂电池检测与管理系统二等奖吕斌、雷蕾姜新禹、张震宇、钟宏远、孙崇文、关杰元、姜彤、王子安、国雷基于NRF无线通信的云端智能节电系统设计二等奖司伟王迪、窦志刚、马祖国、李珊、朱建辉、齐昌鑫废弃玻璃粉低温烧结制备玻璃陶瓷二等奖张锐、王武生刘子麟、杨鹏飞、尹建、王梦莹、周乐安大连地铁特殊部位防水做法及技术研究二等奖陈少华、曾洁吕锦、张琪、汪康康、陈硕面向老年人的新型智能控制药箱二等奖吕斌、张迎辉杨帆、柳松杨、姜彦辰、王腾、陈宁小型饮用水软化水处理装备三等奖吕斌、张生芳冯波、侯志如、张新朋、杨毅、张平、杨文娇、季蒙模块化教学机器人三等奖左忠义汪磊、孙键、孙海燕、邰淳亮、傅军豪公交车辆行程时间预测方法与应用研究三等奖李永华王瀚、王显亮、王洋、郑重、陈石杰、周庆、周成旭、王志强“小菜一碟”全自动智能烹饪机三等奖陈少华、曾洁徐克、齐迪、尹琨、张扬、李哲、伍国凌基于基站无线中继模式的区域专网车辆追踪监控系统三等奖陈少华、曾洁韩敬康、李岳枫、杜恒良、康君妍宿舍火灾监视与疏散一体化消防系统第九届全国周培源大学生力学竞赛（辽宁赛区）二等奖张雪珊王卿三等奖张雪珊王录录第五届全国大学生数学竞赛预赛（辽宁赛区）一等奖戴晓鸣、王丽媛何克胜、庞艳涛二等奖皇甫明、李宁、林美艳、孙日明、张玉丽、顾颖、梁波朱治文、刘江伟、贺彬、王豪豪、党海舟、张健、梁腾飞三等奖徐志敏、孙晓英、李秀梅、王丽敏、张月、王岩、徐天博、汪颖、汪军、高静华、张书莲刁锋、姚丹阳、刘丰、周益、潘梦然、汪财雄、陈桐、孟飞、胡江祺、梁赛、金仕亚第五届辽宁省大学生数学竞赛一等奖戴晓鸣、王丽媛、皇甫明、李宁、林美艳、孙日明、张玉丽、顾颖、梁波、徐志敏、孙晓英、李秀梅、王丽敏、张月、王岩、徐天博、汪颖、汪军、高静华、张书莲何克胜、庞艳涛、朱治文、刘江伟、贺彬、王豪豪、党海舟、张健、梁腾飞、刁锋、姚丹阳、刘丰、周益、潘梦然、汪财雄、陈桐、孟飞、胡江祺、梁赛、金仕亚二等奖于慧徐峰三等奖王海燕、李佳宁、张振宇臧振君、马杰、夏飞大连市第二十二届大学生数学竞赛一等奖戴晓鸣、高静华、顾颖、皇甫明、金丽、李佳宁、李宁、李秀梅、梁波、林美艳、刘勇、孙日明、孙晓英、汪军、汪颖、王海燕、王丽敏、王丽媛、王岩、徐天博、徐志敏、于慧、张书莲、张玉丽、张月、张振宇、周大勇庞艳涛、姚丹阳、梁腾飞、董杰、朱治文、金仕亚、刘丰、胡江祺、汪财雄、王坚、贺彬、繤丹东、张向东、马杰、徐峰、将万博、靳叔凯、梁赛、张健、刁锋、管振强、孟飞、党海舟、周益、王树春、杨燚、孟迪二等奖白凤兰、毕卫星、蔡敏、戴晓鸣、丁立佳、高静华、顾颖、郭大为、皇甫明、金丽、李佳宁李宁、李秀梅、李焱淼、李雁南、梁波、林美艳、刘勇、宋爱民、孙日明、孙晓英、万维明、汪军、汪颖、王国灿、王海燕、王丽敏、王丽媛、王晓元、王岩、徐天博、徐志敏、于慧、张继红、张书莲、张玉丽、张月、张振宇司安然、田成志、李文海、李朋、王德名、李强、孙伟莎、马睿泽、卢军、李修雷、兰锋、邓义仁、隆宏斌、李亮、王鑫、张如一、王佳辉、胡珂、陈桐、孙江南、周威、殷佳鹏、尹太国、毛竞争、王玉龙、李芝华、李文浩、吴启龙、胡浩、张翔博、陈志伟、吕小明、刘宁春、孟陈祥、叶安东、张聪、蒋凯雄、侯振兴、孙渤、胡江奎、何江涛、汤泽惠、孙学涛、顾自豪、周密、冯文敏、蒋敏、邵乾宇、张啸男、夏中羽、李嘉曦、汪朝辉、柳驰航、臧晓雅、霍梦梦、孙向阳、赵政、郝靖伟、刘雨涵、王文龙、孙艳阳、张雅霖、宁旭阳、刘晓林。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2013年全国大学生电子设计竞赛试题
参赛注意事项
（1）9月4日8:00竞赛正式开始。
本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职高
专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。
（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。
（3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份
的有效证件（如学生证）随时备查。
（4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。
（5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制
作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。
（6）9月7日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。
简易旋转倒立摆及控制装置（C 题 ）
【本科组】
一、任务
设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。
旋转倒立摆的结构如图1所示。
电动机A 固定在支架B 上，通过转轴F 驱动旋转臂C 旋转。
摆杆E 通过转轴D 固定在旋转臂C 的一端，当旋转臂C 在电动机A 驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E 在垂直于旋转臂C 的平面作自由旋转。
二、要求
1．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°。
图1 旋转倒立摆结构示意图
2．发挥部分
（1）从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于10s；
（2）在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内恢复倒立状态；
（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过360°；
（4）其他。
三、说明
1．旋转倒立摆机械部分必须自制，结构要求如下：硬质摆杆E通过转轴D连接在旋转臂C边缘，且距旋转臂C轴心距离为20c m±5cm；摆杆的横截面为圆形或正方形，直径或边长不超过1cm，长度在15c m±5cm范围内；允许使用传感器检测摆杆的状态，但不得影响摆杆的转动灵活性；图1中支架B的形状仅作参考，其余未作规定的可自行设计结构；电动机自行选型。
2．摆杆要能够在垂直平面灵活旋转，检验方法如下：将摆杆拉起至水平位置后松开，摆杆至少能够自由摆动3个来回。
3．除电动机A之外，装置中不得有
其他动力部件。
4．摆杆自然下垂状态是指摆角为
0°位置，见图2。
5．摆杆倒立状态是指摆杆在-165°
至165°范围内。
6．基本要求（1）、（2）中，超过30s
视为失败；发挥部分（1）超过90s
视为失败；发挥部分（3）超过3
分钟即视为失败；以上各项，完
成时间越短越好。
图2.摆杆位置示意图
7．摆杆倒立时施加干扰的方法是，以15cm长细绳栓一只5克砝码，在摆杆上方将砝码拉起15°~45°，释放后用砝码沿摆杆摆动的切线方向撞击摆杆上端1~2cm处；以抗扰动能力强弱判定成绩。
8．测试时，将在摆杆后1~2cm处固定一如图2所示轻质量角器，以方便观察摆杆的旋转角度。
四、评分标准。