简易旋转倒立摆及控制装置(题目解析)..
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。
简易旋转倒立摆设计论文
简易旋转倒立摆设计论文摘要：该系统有一个非常重要的性质——它是非线性不稳定的。
不稳定系统的控制问题是目前大多数控制系统需要克服的难点，有必要在实验室中研究，但是由于绝大多数的不稳定控制系统都存在着危险性，因此成了实验室研究的主要障碍。
而倒立摆系统却能很好地解决这一矛盾，它简单、安全并且具备了一个非稳定系统所具有的重要的动态特性，因此，本系统对控制系统的设计而言可以说是一个比较理想的研究模型。
倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的非线性系统，是进行控制理论研究和实验的理想平台。
目前，亚洲、日本、韩国、俄罗斯、美国等多个国家都在进行这个领域的研究。
对于倒立摆控制的研究有着非常重大的现实意义，机器人的站立与行走类似双倒立摆系统，而机器人的行走控制至今仍未很好地解决。
对倒立摆系统的研究能有效地反应控制中的许多问题：如非线性问题、鲁棒性问题[1]、镇定问题及跟踪问题等。
通过对倒立摆的控制，可用来检测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、航天和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行过程中十分重要的姿态控制等。
倒立摆的种类很多，有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆等；根据级数也可以将其分为一级、二级、三级乃至多级。
本文主要就旋转平面的一级倒立摆系统进行研究，采用MC9S12XS128微控制器通过速度闭环和DIP算法控制使该倒立摆系统完成包括往复摆动直至完成圆周运动、保持倒立、倒立状态下的圆周运动以及抗干扰测试等一系列动作，主题思想是对摆杆的姿态进行实时的、精确的调整。
1 系统方案设计1.1 系统设计总方案本倒立摆系统主要由三大部分组成：电机驱动电路、倒立摆装置和微控制器。
倒立摆的工作原理为：通过数字电位计得到反馈电压，经转化得到摆杆的实际角度，微分后得到其速度，连杆的位置和速度可以通过电机编码器（200p/r）转换得到，MCU（微控制器）根据上述四个输入使用增量式PID算法，预调节PWM波脉宽以及驱动端口信号，来分别调节电机转速和转向，实现倒立摆的稳定控制。
简易旋转倒立摆及控制装置
简易旋转倒立摆及控制装置设计报告及总结摘要倒立摆系统机理的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有重要的现实意义，是控制类中经久不衰的经典题型。
本题中，简易旋转倒立摆，在C8051F040单片机的基础上，使用ZGB42FM直流减速电机，BTN7971B电机驱动，可变电阻（角度传感器），机械摆杆等模块。
通过编写、烧入程序，调控硬件协调工作，使摆杆首先实现一定角度的转动，再完成圆周运动，以及保持竖直向上的倒立状态。
用以满足题目的基本要求,进而深一步探究倒立摆在保持运动姿态方面的发展与应用。
关键字：单片机，倒立摆，摆杆，可变电阻。
引言：本题整体上只由一个电机A 提供动力，电机直接控制旋转臂C 做往复旋转运动，而通过转轴D 连接在旋臂C 上的摆杆E 是非常灵活的。
旋臂C 转动一定角度时，摆杆E 由于向心力会使摆杆E 继续向上旋转，以达到E 杆转动一个角度的效果。
相似，当C 的转动速度比较快，停下后，E 下端处的速度和向心力都比较大，能够使E 杆完成圆周运动。
为了使摆杆能够倒立，就要求摆杆转动到上半圆周面时，要通过单片机控制电机A 不断的调整使旋转臂C 转动多个角度，尽量的使摆杆E 与竖直面的角度变小，并能够受力平衡，这样就可以保持一段时间的倒立状态。
为达到角度的调整，就要测量出E 杆与竖直面间的角度差，经过单片机的控制，使电机A 做出相应的旋转动作，减小这个角度差。
1、方案设计与讨论： 1.1结构框图1.2方案论证： 1.21控制器模块本题，单片机只要接收来自传感器的信号，向电机驱动输入信号处理后计算出的高低电平即可。
方案一：用ATMEL 公司生产的AT89S52单片机，低功耗，高性能CMOS 8位处理器，使用广泛,算法较为简单，但是在执行复杂动作时，处理速度不够高。
方案二:用宏晶公司生产的STC89C52RC 单片机，STC 的单片机性能与ATMEL 的单片机相似，但是价格相对便宜。
缺点是易受潮湿影响，在调用子程序是频繁出错。
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简易旋转倒立摆
本方案采用单回路PID控制方案，选取摆杆角度作为反馈信号，此方案间接对摆杆进行控制，系统结构框图如下图所示。
[7]《单片机原理及应用》，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002年；
附录
一．元器件及材料清单
1
单片机最小系统
2
L298N驱动模块
3
ADXL345角度传感器
4
旋转臂
5
摆杆
6
木板支架结构
二．主要程序
#include <REG51.H>
#include <math.h> //Keil library
硬件电路部分主要由单片机控制模块、电机驱动模块、角度传感器检测模块、电源模块等部分组成，系统原理图如下图所示：
3.1.1 单片机最小系统电路图
图10单片机最小系统图
3.1.2 L298N电机驱动模块电路图
图11电机驱动图
3.1.3 角度传感器
图12角度传感器
角度传感器测得X、Y轴方向的重力加速度，通过IIC通信将信号输入单片机，单片机合成数据，得到X、Y轴方向加速度的值，从而计算得出角度值，然后利用屏幕将角度值实时显示出来。
/*********************电机驱动管脚定义****************************/
sbit en=P1^0;
sbit s1=P1^1;
sbit s2=P1^2;
倒立摆系统的控制算法及仿真
倒立摆系统的控制算法及仿真1．1 倒立摆控制算法1．1．1 倒立摆控制算法概述单级倒立摆的稳定控制，实际上是一单输入多输出系统的稳定控制。
此时系统输入是电机控制电压u，输出是倒立摆竖直方向角度θ和旋臂位置ϕ。
对方程(2.5)进行变形即得θ与u 之间的输入输出方程,很明显,它是一个不稳定的二阶系统。
控制倒立摆使之稳定的方法很多,当前已有的倒立摆控制规律可总结为:(1)PID控制,通过对倒立摆物理模型的分析，建立倒立摆的动力学模型,然后使用状态空间理论推导出其非线性模型，再在平衡点处进行线性化得到倒立摆系统的状态方程和输出方程，于是就可设计出PID控制器实现其控制；(2)状态反馈H∞控制，通过对倒立摆物理模型的分析,建立倒立摆的动力学模型,然后使用状态空间理论推导出状态方程和输出方程，于是就可应用H∞状态反馈和Kalman 滤波相结合的方法,实现对倒立摆的控制；(3)利用云模型实现对倒立摆的控制，用云模型构成语言值,用语言值构成规则,形成一种定性的推理机制。
这种拟人控制不要求给出被控对象精确的数学模型，仅仅依据人的经验、感受和逻辑判断，将人用自然语言表达的控制经验,通过语言原子和云模型转换到语言控制规则器中，就能解决非线性问题和不确定性问题；(4)神经网络控制，业已证明神经网络(NeuralNetwork ,NN) 能够任意充分地逼近复杂的非线性关系，NN 能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性，所有定量或定性的信息都等势分布贮存于网络内的各种神经元，故有很强的鲁棒性和容错性，也可将Q学习算法和BP神经网络有效结合，实现状态未离散化的倒立摆的无模型学习控制；(5)遗传算法( Genetic Algorithms , GA)，高晓智在Michine 的倒立摆控制Boxes 方案的基础上，利用GA 对每个BOX 中的控制作用进行了寻优，结果表明GA可以有效地解决倒立摆的平衡问题；(6)自适应控制，主要是为倒立摆设计出自适应控制器；(7)模糊控制，主要是确定模糊规则，设计出模糊控制器实现对倒立摆的控制；(8)使用几种智能控制算法相结合实现倒立摆的控制，比如模糊自适应控制，分散鲁棒自适应控制等等，(9)采用GA 与NN 相结合的算法，首先建立倒立摆系统的数学模型，然后为其设计出神经网络控制器，再利用改进的贵传算法训练神经网络的权值，从而实现对倒立摆的控制，采用GA 学习的NN 控制器兼有NN 的广泛映射能力和GA 快速收敛以及增强式学习等性能。
旋转倒立摆设计报告综述
控制专题训练阶段性报告旋转倒立摆设计学生姓名：2017年5月24日摘要本系统以由stm32f103单片机作为中心控制系统，由精密电位器、电机驱动模块、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TB6612驱动芯片驱动直流电机较精确地控制摆杆的灵敏度；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：STM32f103RC 精密电位器TB6612目录一、系统方案 (1)1、摆架框架的论证与选择 (1)2、驱动电机的选择 (1)2、角度传感器的选择 1二、系统理论分析与计算 (1)1、电机型号选择 (1)2、摆杆状态监测 (1)3、算法控制 (1)（1）比例控制规律 (1)（2）比例积分控制规律 (1)（3）比例微分控制规律 (1)（4）比例积分微分控制规律 (1)三、电路与程序设计 (2)1、电路的设计 (2)（1）系统总体框图 (2)（2）PID算法子系统框图 (2)（3）主控制器模块设计 (2)（4）电源 (3)2、程序的设计 (3)（1）程序功能描述与设计思路 (3)（2）程序流程图 (3)四、测试方案与测试结果 (3)1、测试方案与论证 (3)2、测试条件与仪器 (4)3、测试结果及分析 (4)（1）测试结果(数据) (4)（2）测试分析与结论 (4)五、参考文献 (4)附录1：电路原理图 (5)附录2：源程序 (6)一、系统方案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：通过精密电位器检测出摆杆与垂直方向的倾角，将数据传给单片机。
1、摆架框架的选择方案一：采用木板做摆杆，材料方便，制作简单，质量较小，尽管在做旋转运动时，空气阻力对其有影响，木质材料的摆杆较轻，可以适当的加点配重，增加其惯性，更加方便电机对其旋摆随时的控制。
固高科技《倒立摆与自动控制原理实验》
©Googol 2005
III
内容简介
这是一本为工科自动化和机电一体化的专科、本科以及研究生编写的实验教 科书，可以作为控制领域各门控制课程的配套实验教材，本书的主要内容包括经 典控制理论的部分实验内容和现代控制理论的部分实验内容，经典控制理论内容 包括实际系统模型的建立、根轨迹分析和控制器设计、频率响应分析、PID 控制 分析等内容，现代控制理论内容主要包括状态空间极点配置和线性最优控制 LQR 方法，本书实验内容主要基于固高科技倒立摆完成。
Googol Technology
倒立摆与 自动控制原理实验 V2.0
©Googol 2005
固高科技（深圳）有限公司
二○○五年
1
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直线倒立摆系统 GLIP 系列包含《直线倒立摆系统 GLIP 系列安装与使用手册》 和《倒立摆与自动控制原理实验》。
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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）。
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。
基于STM32的简单旋转倒立摆
电子技术• Electronic Technology96 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】STM32F407 PID 算法 倒立摆1 设计方案选择与模块分析1.1 结构设计方案系统要求要实现对摆杆角度以及摆杆运动的控制，并要保证运动控制的快速性、实时性和平稳性，尽量提高对摆杆摆动角度范围的精度控制。
我们的设计结构如图1所示，其中主要包括主控、外设、和角度变化率检测、旋臂控制等模块，通过按键选择模式及参数的调整、用角度传感器反馈摆杆角度数据给主控模块，有主控模块控制电机带动旋转臂，以实现间接控制摆杆的角度变化。
1.2 系统各部分模块作用及其功能功能结构框图如图2所示。
1.2.1 按键输入部分按键主要负责控制模式的选择，根据设计要求，功能主要包括如下部分：（1）初始模式，摆杆自然下垂状态；（2）工作模式一，摆杆摆角来回摆动达到或超过-60度到60度；（3）工作模式二，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；（4）工作模式三，摆杆自然下垂外力作用下到倒立状态；（5）工作模式四，摆杆无外力作用到倒立状态；（6）工作模式五，摆杆倒立状态下旋转臂旋转达到或超过单方向360度。
1.2.2 STM32F4控制芯片作为系统的核心控制及数据模块，功能主要包括如下部分：（1）接收按键输入命令，控制系统工作基于STM32的简单旋转倒立摆文/邓新宇模式；（2）接收欧姆龙旋转编码器的电脉冲量数据反馈，稳定系统整体的工作状态；（3）根据系统工作要求，控制直流电机工作方式，并接收直流电机编码器电脉冲量数据，稳定电机的运转。
1.2.3 直流电机直流电机作为旋转臂的控制部分，根据设计要求，功能主要包括如下部分：（1）控制旋转臂的旋转，达到系统的工作要求；（2）其电机编码器反馈电机的速度等运转数据，通过主控间接实现电机运转的稳定。
简易旋转倒立摆及控制装置
简易旋转倒立摆及控制装置Hessen was revised in January 2021简易旋转倒立摆及控制装置（C 题）参赛队员姓名：指导教师姓名参赛队编号：参赛学校：简易旋转倒立摆及控制装置（C 题）摘要：简易旋转倒立摆及控制装置是复杂的高阶闭环控制系统，控制复杂度较高。
系统以飞思卡尔MK10DN512ZVLL10单片机为核心，以Mini1024j编码器为角度传感器，配合直流电机组成旋转倒立摆系统，经过充分的系统建模，并考虑单片机运算速度，最终确定采用改进的“模糊PID”控制算法，通过软件控制，可以满足基本部分要求和发挥部分要求。
系统的突出特点在于充分的力学理论分析，通过力学建模和控制系统仿真，获得了大量的定性分析结果，为系统的建立提供了很好的理论依据。
关键字：倒立摆模糊PID 力学建模状态机一、系统方案1. 系统方案论证与选择倒立摆系统是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定的系统。
对于该控制系统而言，合适的控制算法、精确的反馈信号、适合的电机驱动等都对系统的稳定性、控制精度及抗干扰性起重要作用。
针对上述问题，分别设计多种不同的解决方案，并进行选择论证。
（1）控制算法选择方案一：采用传统PID控制算法。
传统PID控制算法是运用反馈求和后的误差信号的比例(0阶位置项)、积分(误差累积项)、微分(1阶速度项)进行系统校正的一种控制算法。
可用于被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到的精确数学模型的情况，控制器的结构和参数必须依靠经验和反复调试来确定。
方案二：采用模糊PID控制算法模糊PID控制算法根据PID控制器的三个参数与偏差e和偏差的变化ec之间的模糊关系，在运行时不断检测e及ec，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，让PID参数可自整定。
将模糊控制算法与传统PID控制算法巧妙结合，不但具有PID控制算法精度高等优点，又兼有模糊控制灵活、适应性强的优点。
基于C8051F020单片机的简易旋转倒立摆系统
ＧＮ Ｄ
分 内容 ， 硬件系统包 括支架 、 旋转臂 、 摆 杆 及 转 轴 等 机 械 部 分 和 电路 部 分 ， 其 中硬 件 电 路 部 分 包 括 驱 动 模 块 、 直 流电机 、 角 度 传 感 器和键 盘模块 等 ； 软 件系统 由 Ｃ语言 与汇 编混合 实现 ， 采 用 Ｐ Ｉ Ｄ、 Ｐ ｌ 、 Ｐ Ｄ 三 种 方 案 来 实 现 对 倒 立 摆 平 衡 控 制 ，通 过 理 论 分 析 与测 试 估 计 整 定 调 节 参 数 ， 取 得 了 较好 的效 果 。 本 系统 总体 结 构
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｉ ｎ ｖ ｅ ｔｅ ｒ ｄ ｐｅｎ ｄｕｌ ｕｍ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅｍ ｉ ｓ ａｎ ｅ ｘｐ ｅｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｐｌ ａ ＃ｏｒ ｍ ｔ ｏ ｓ ｔ ｕ ｄｙ ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ ｔ ｈ ｅ ｏ￣ ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐａ ｐｅ ｒ ， ａ ｓ ｉ ｍ ｐｌ ｅ ｒ ｏｔ ａｒ ｙ ｉ ｎ ｖ ｅｒ ｔ ｅ ｄ ｐｅ ｎ—
(完整版)倒立摆实验报告(PID控制)
专业实验报告3. 实验装置直线单级倒立摆控制系统硬件结构框图如图1所示，包括计算机、I/O设备、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘反馈测量元件等几大部分，组成了一个闭环系统。
图1 一级倒立摆实验硬件结构图对于倒立摆本体而言，可以根据光电码盘的反馈通过换算获得小车的位移，小车的速度信号可以通过差分法得到。
摆杆的角度由光电码盘检测并直接反馈到I/O设备，速度信号可以通过差分法得到。
计算机从I/O设备中实时读取数据，确定控制策略（实际上是电机的输出力矩），并发送给I/O设备，I/O设备产生相应的控制量，交与伺服驱动器处理，然后使电机转动，带动小车运动，保持摆杆平衡。
图2是一个典型的倒立摆装置。
铝制小车由6V的直流电机通过齿轮和齿条机构来驱动。
小车可以沿不锈钢导轨做往复运动。
小车位移通过一个额外的与电机齿轮啮合的齿轮测得。
小车上面通过轴关节安装一个摆杆，摆杆可以绕轴做旋转运动。
系统的参数可以改变以使用户能够研究运动特性变化的影响，同时结合系统详尽的参数说明和建模过程，我们能够方便地设计自己的控制系统。
图2 一级倒立摆实验装置图上面的倒立摆控制系统的主体包括摆杆、小车、便携支架、导轨、直流伺服电机等。
主图7 直线一级倒立摆PD控制仿真结果图从上图可以看出，系统在1.5秒后达到平衡，但是存在一定的稳态误差。
为消除稳态误差，我们增加积分参数Ki，令Kp=40，Ki=60，Kd=2，得到以下仿真结果：图8 直线一级倒立摆PID控制仿真结果图从上面仿真结果可以看出，系统可以较好的稳定，但由于积分因素的影响，稳定时间明显增大。
双击“Scope1”，得到小车的位置输出曲线为：图9 施加PID控制器后小车位置输出曲线图由于PID 控制器为单输入单输出系统，所以只能控制摆杆的角度，并不能控制小车的位置，所以小车会往一个方向运动，PID控制分析中的最后一段，若是想控制电机的位置，使得倒立摆系统稳定在固定位置附近，那么还需要设计位置PID闭环。
简易旋转倒立摆及控制装置
第 １ ２期
长
春
大
学
学
报
Ｖｏ １ ． ２３ Ｎｏ ．１ ２ Ｄｅ ｃ．２０１ ３
２ ０ １ ３年 １ ２月
Ｊ ０Ｕ ＲＮＡ Ｌ ０Ｆ Ｃ ＨＡ ＮＧＣ ＨＵ Ｎ Ｕ ＮＩ Ｖ ＥＲ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ
简 易旋 转 倒 立 摆 及 控制 装 置
王 桔
（ 长春大学
加测 速装 置 ， 配 上控 制器 。通过 测速装 置输 出 的电压 和控 制 器给定 的 电压 二者 相 比 ， 进行 自动 改变 电机 的端
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ９ — １ ６
作者简介 ： 王桔 （ １ ９ ８ ０ 一 ） ， 女， 吉林长春人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要从事电子与通信工程方 面的研究 。
驱动 ４ ６ Ｖ、 ２ Ａ一 下 的 电机 。
３ ． １ 电源 与驱 动 电路
直流力矩电机电压的驱动和控制中， 半导体功率： 器件（ Ｌ Ｍ ２ ９ ８ ） 在使用上有两种方式 ： 即开关驱动方式和 线性放大驱动方式 ， 线性放大驱动方式中半导体功率器件工作在线性 区里。在开关驱动方式 中半导体功率
关 键词 ： 旋转式倒立摆 ； 状 态反 馈 ； 稳 定性
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ７ ５
文献标志码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ９— ３ ９ ０ ７ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２—１ ５ ３ ８— ０ ３
＿ ＿＿＿—＿—，一
ｒ— —————’＿１
—＿－＿。一
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器 件工 作在 开关 状态 ， 电动机 的 电压 用 Ｐ ＷＭ 来控 制 ， 进 而实 现对 电动 机 的转速进 行控 制 。 电动机 的绕 组两 端 的 电压 平均 值 ｕ为 ：
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。
2013年全国大学生电子设计大赛题目(完整版)
四旋翼自主飞行器（B 题）
【本科题】 一、任务
设计并制作一架四旋翼自主飞行器。飞行区域俯视图和立体图分别如图 1 和图 2 所示。
300 75 100 20 75 4 75 500 70 10 70 20 100 75 150 150 A区 150 1 米示高线 指示线 指示线 指示线 B区
图 1 飞行区域俯视图（图中单位：cm）
3
Hale Waihona Puke 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。
项目 系统方案 设计 报告 设计与论证 电路与程序设 计 测试方案与测 试结果 主要内容 方案比较，方案描述 控制方法描述与参数计算 系统组成，原理框图与各部分电路图， 系统软件与流程图 测试方案及测试条件 测试结果完整性
B –2 / 4
满分 3 5 6 3
测试结果分析 摘要 设计报告结构 正文结构完整性 及规范性 图标的规范性 小计 完成（1） 基本要求 完成（2） 小计 完成（1） 完成（2） 完成（3） 其他 小计
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r
e
-
调节器
u
执 行
v
对
象
c
y
测量反馈
倒立摆与自动控制理论实验
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。
T1 J 1
2
2
.
T2 J 1
.
.
2
T= T1+T2+T3+T4
.
2
. 2
T3
m( r L cos ( )) 2
m( L s i n ( ))2 T4 2
.
原文误！
摘自天津大学吴爱国教授等“基于Lagrange方程建模的单级旋转倒立摆控 制.中国工程科学.2005.Vol7.No710.p11-15”
旋转倒立摆控制系统设计的一般准则
倒立摆控制系统要素： 1.弄清系统结构及工作机理 2.建立数学模型（难点） 3.找出各环节之间的作用关系 4.确定控制量与被控制量
5.设计控制系统结构
6.选择控制算法
7.工程实现
固高旋转倒立摆实验装置
旋转倒立摆控制系统设计的一般准则
如图所示，在忽略各种阻力和摩擦的条 件下，旋臂和摆杆可以抽象为的两个匀 质杆： r—旋转臂长， θ—水平方向角位移， L—摆杆质心到铰链距离， α—垂直方向角位移。 摆杆质心在 x 及 y 方向的速度分量为：
年 1997 1999 2001 2003 届 3 4 5 6 题目 水温控制系统（C题） 无 自动往返小车（C题） 简易电动车（E题）点滴速度监控装置（F题） 题数 1 0 1 2 总题数 4 5 6 6 备注
2005
2007 2009 2011
7
8 9 10
悬挂运动控制系统（F题）
电动车跷跷板（F题、J题） 声音导引系统（B题） 模拟路灯控制系统（I题） 基于自由摆的平板控制系统（B题） 智能小车（C题）、帆板控制系统（F题）
浅谈电子设计竞赛中控制类题目
——以“2013年电子设计竞赛C题”为例
同济大学电子与信息工程学院 岳继光 2013.11.10 武 汉
今天讲座的主要内容
自动化类题目及C题概况 倒立摆与自动控制原理实验 ★旋转倒立摆控制系统设计的一般准则 ★2013年旋转倒立摆（C）题简析 几点思考
全国大学生电子竞赛控制类题目概况
大学生做倒立摆实验
倒立摆与自动控制理论实验
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，再经数模转换驱动直流电 机实现倒立摆的实时控制。 倒立摆属于典型的自动控制系统
倒立摆与自动控制理论实验
由中国的大连理工大学李洪兴教授领导的“模糊系统与模糊信息研究中心”暨 复杂系统智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制成功地实现了四级倒立摆。因 此，中国是世界上第一个成功完成四级倒立摆实验的国家。
倒立摆与自动控制理论实验
控制目标 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。 全国500多所 设有自动化专业的 高校中，大部分学 校在自动控制原理 课中，开设了倒立 摆类实验，拥有坚 实的基础。 倒立摆实验装置
倒立摆与自动控制理论实验
倒立摆控制方法在军工、 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。
倒立摆与自动控制理论实验
倒立摆系统按摆杆数量 的不同，可分为一级，二 级，三级倒立摆等，多级摆 的摆杆之间属于自由连接 （即无电动机或其他驱动设 备）。
2013年C题目概况:
完成效果： 播放视频
倒立摆与自动控制理论实验
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。
倒立摆与自动控制理论实验
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：பைடு நூலகம்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。
1
2 2 3
7
10 9 8 本专各1 本专各1 本2、专1
2013 合计
11
四旋翼飞机（B题） 旋转倒立摆（C题）、电磁控制装置（j题）
3 15
9 64
本2、专1 23.4%
全国大学生电子竞赛控制类题目概况
0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 系列1
2013年C题目概况:
11%
G题
A题
F题 E题
19% 6%
15%
B题
9% 11% 29%
1 2 3 4 5 6 7
D题
C题
C 题已接近30%，本科组大学生选择最多的题目！
2013年C题目概况:
G题 F题
15% 11%
A题
19%
B题
6%
E题
9% 11%
D题
C题
29%
1 2 3 4 5 6 7
近30%的参赛队选择C题的主要原因是否是其他类 题目专业性“太强”？而自控类题目易上手？
比重大、选题多、观赏性强
从第5届以后，每次均出现。
全国大学生电子竞赛控制类题目概况
小车类： 自由摆： 飞行器： 其 他： 6次（2001、2003、2007、2007（高职）、 2009、2011） 3次（2011、2013、2013（高职）） 1次（2013） （温控、点滴、悬挂、路灯控制、帆板各1次）
摘自天津大学吴爱国教授等“基于Lagrange方程建模的单级旋转倒立摆控 制.中国工程科学.2005.Vol7.No710.p11-15”
旋转倒立摆控制系统设计的一般准则
应用Lagrange方程可推导出系统的动态方程。 以旋臂所在水平面为零势能面，则系统的势能 为摆杆的重力势能： V = mgLcosα 系统的动能由4部分组成，包括：旋臂在水平面内 的转动，摆杆在竖直平面内的转动，摆杆质心沿 x 轴方向的速度、沿 y 轴方向的速度。对应的动 能分量分别用T1，T2，T3，T4表示。