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1、旋轉(zhuǎn)倒立擺的起擺與穩(wěn)擺研究與實現(xiàn)姜香菊，等ResearchandImpIementationoftheSwing—upandStabiIizingOperationfOrROtatiOnaIInvertedPenduIum善番菊1糾二林2(蘭州交通大學(xué)自動化學(xué)院1，甘肅蘭州730070；蘭州交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院2，甘肅蘭州730070)摘要：針對倒立擺系統(tǒng)的起擺與穩(wěn)擺問題，利用bgrange方程建立了單擺與倒立擺的完整數(shù)學(xué)模型。采用正反饋控制算法進(jìn)行單擺的起擺控制，采用雙PID算法進(jìn)行倒立擺的穩(wěn)擺控制。設(shè)計了基于
2、擺桿角度和角速度的兩種能量控制切換模式，并進(jìn)行了仿真驗證和實物驗證。仿真和實際運(yùn)行結(jié)果表明，所設(shè)計的針對角速度的正反饋控制器起擺速度更快，所提出的兩種切換模式可以使控制更穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：正反饋控制器雙PID旋轉(zhuǎn)倒立擺單擺起擺穩(wěn)擺動力學(xué)分析IJagmnge方程中圖分類號：7Ⅲ一3；皿13文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：lO．16086／j．cnki．issn1000—0380．201609002Ab!；tlmct：InordertosolVetIleswing—upaIldstabilizingissuesf出tIlein
3、vertedpendIdum，t11ecompletem8tIlematicalmodelsforsimpkpendulumaIldinVertedpendlllumarebuilIbasedonIJa鏟aIlgeeqIlation．nepositivefeedbackcontrolalgorithmisusedf打contmUingswing—upofIhesimplependulum，andtIledual—PIDalgo珊lmisusedtocon們lstabilizingopemtionof山einv
4、ertedpendulum．rrIleenergycon州switchingoVerbased0narIgIeofswinglinks明daJlgul8rvelocityisdesigned。andtIlesimlllationverificationaJldphysicalverificationareconducted．TheresIlltsofemulatedandphysicaloperationshowtIIatthepositiVefeedb8ckcontI_ouerdesignedforangI
5、llarvelocitymakesfbterswing—upIThepmposedtwokindsofswitchjngmode眥kemorest8bleconⅡ_01．Keywords：PositiVefeedbackcontroUerDualPIDRotationalinVenedpendulumSimplependIllumSwingupStabilizingpendIllumDynarIlicsanalysisLa鯽geequation0引言倒立擺系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定、多變量、強(qiáng)耦合的欠驅(qū)動非線性機(jī)械系統(tǒng)
6、，可以作為典型的控制對象進(jìn)行研究。倒立擺的種類很多，有直線倒立擺、旋轉(zhuǎn)倒立擺等。旋轉(zhuǎn)倒立擺受力分析較其他倒立擺復(fù)雜，具有不穩(wěn)定性及非線性，對控制算法有更高的要求‘1一引。本文采用直流電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、微控制器、電機(jī)驅(qū)動芯片和l024線小型位置式編碼器等，設(shè)計了一個一級旋轉(zhuǎn)倒立擺；同時，利用La野arIge方程對系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)分析，建立了單擺和倒立擺的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了起擺和穩(wěn)擺控制器。將設(shè)計的控制器移植到微控芯片中進(jìn)行實際測試，結(jié)果表明，設(shè)計的系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、響應(yīng)速度快、魯棒性好舊?！?。甘肅省高等學(xué)?？蒲谢?/p>
7、資助項目(編號：2014一A—041)。修改稿收到日期：2016一02一17。第一作者姜香菊(1979一)，女，2003年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)自動控制專業(yè)．獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事計算機(jī)控制及傳感器技術(shù)等方向的研究。1旋轉(zhuǎn)倒立擺基本結(jié)構(gòu)倒立擺簡化模型如圖l所示阻5。。擺桿圖l倒立擺簡化模型F培．1Simplifiedmodeloftlleinvertedpendulum旋轉(zhuǎn)倒立擺主要由微控制器芯片、支撐機(jī)架、擺桿、旋臂、小型直流電機(jī)、減速器、1024線位置式編碼器和H橋電路(B，17960)組成。旋轉(zhuǎn)倒立擺
8、的旋臂與減速器的旋轉(zhuǎn)軸連接，直流電機(jī)驅(qū)動減速器輸出動力，將高速低扭矩旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為低速高扭矩旋轉(zhuǎn)；位置式編碼器l的齒輪與減速器輸6PROCESSAUTOMAlrION州STRIm誣N，rAlloNVoL37No．9september加16旋轉(zhuǎn)倒立擺的起擺與穩(wěn)擺研究與實現(xiàn)姜香菊。等出軸的齒輪嚙合，用來檢測旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過的角度，為旋臂位置PID控制提供實時數(shù)據(jù)；位置式編碼器2安裝在旋轉(zhuǎn)臂末端，并通過轉(zhuǎn)軸與擺桿連
