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《基才matlab的倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)模糊控制研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、基才Matlab的倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)模糊控制研究徐雄，石曙東(湖北師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，湖北黃石435002)1引言倒立擺系統(tǒng)是一種是非最小相位系統(tǒng)，它具有非線性、多變量和不穩(wěn)定的特點(diǎn)，因而成為控制理論教學(xué)和科研的典型對(duì)象，以往主要通過(guò)軟件仿真或在精密倒立擺上實(shí)現(xiàn)各種控制算法，而對(duì)倒立擺硬件系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)報(bào)道卻甚少。目前，國(guó)內(nèi)各高校基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生產(chǎn)的系統(tǒng)，由于采用高精度的零部件，因此，硬件成本較高；其軟件大多采用VC等可視化編程軟件來(lái)開發(fā)，研發(fā)周期長(zhǎng)，并且不提供源代碼，缺乏可讀性和再利用性。本文介紹一種倒
2、立擺系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)，其硬件系統(tǒng)具有低成本、高可靠性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)；其軟件系統(tǒng)在Matlab環(huán)境下編程和實(shí)時(shí)控制，源代碼完全開放，而且可調(diào)用豐富的Matlab工具箱函數(shù)，非常適用于教學(xué)和科研上的再學(xué)習(xí)和開發(fā)。2倒立擺系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)一級(jí)水平倒立擺硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示，多級(jí)水平倒立擺也相類似，區(qū)別之處只是擺桿不同。倒立擺系統(tǒng)由導(dǎo)軌、力矩電機(jī)、滑塊與擺桿、皮帶等部件組成。擺桿連接滑塊，滑塊由皮帶拖動(dòng)在導(dǎo)軌上滑行?；瑝K離中心點(diǎn)的水平位移和擺桿的角度分別由旋轉(zhuǎn)編碼器1和2檢測(cè)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器信息采集卡轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)于θ和x的計(jì)數(shù)值。在導(dǎo)軌的兩側(cè)各有一
3、個(gè)限位開關(guān)(常閉)，當(dāng)滑塊滑行到兩側(cè)時(shí)，將碰到限位開關(guān)并使其斷開，用來(lái)判斷滑塊的位置是否超出限定范圍以及是否立即停止電機(jī)運(yùn)行。限位開關(guān)的通斷信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡I／O采集，控制電壓通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡D／A輸出，經(jīng)過(guò)力矩電機(jī)控制器轉(zhuǎn)換后作用于電機(jī)。硬件系統(tǒng)組成部件說(shuō)明如表1所列。2.1力矩電機(jī)控制器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡D／A輸出電壓一般為0V～+5V或0V～+10V，而力矩電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)電壓為-24V～+24V，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，將數(shù)據(jù)采集卡的輸出電壓按比例轉(zhuǎn)換成力矩電機(jī)控制所需的伺服電壓。力矩電機(jī)控制器采用不帶MPU的分立元件反饋方法設(shè)計(jì)，以提高
4、可靠性。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)到兩端碰到限位開關(guān)時(shí)，施加在電機(jī)上的電壓必須馬上變成0V，電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流非常大，會(huì)擊穿達(dá)林頓管，因此在設(shè)計(jì)力矩電機(jī)控制器時(shí)，應(yīng)考慮碰到限位開關(guān)時(shí)要立即切斷電機(jī)的達(dá)林頓輸出電路，使電機(jī)端的電壓箝位于0V。2.2旋轉(zhuǎn)編碼器接口設(shè)計(jì)擺桿的角度(θ)是倒立擺控制所需的最主要的反饋檢測(cè)信號(hào)，而小車的位置(x)只起到輔調(diào)節(jié)作用，要求精度不高。因此，擺桿角度檢測(cè)采用日本NEMI-COM公司生產(chǎn)的高精度旋轉(zhuǎn)編碼器，而小車位置檢測(cè)所用旋轉(zhuǎn)編碼器則自制，由旋轉(zhuǎn)編碼盤加上帶槽光耦檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)編碼器的典型輸
5、出為兩個(gè)相位差90°的方波信號(hào)(A和B)以及零位脈沖信號(hào)Z。其中，Z脈沖信號(hào)標(biāo)志旋轉(zhuǎn)編碼盤轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)(每圈360°)，A、B兩相信號(hào)脈沖數(shù)標(biāo)志轉(zhuǎn)編碼盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度，A、B之間的相位關(guān)系為碼盤的轉(zhuǎn)向，即當(dāng)A相超前B相90°時(shí)，標(biāo)志碼盤正轉(zhuǎn)；當(dāng)B相超前A相90°時(shí)，標(biāo)志碼盤反轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路將A、B、Z脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)碼盤轉(zhuǎn)過(guò)角度的計(jì)數(shù)值，一般采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從光電編碼器接口電路要求高速度、高精度和計(jì)算機(jī)接口等方面考慮，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)編碼器接口應(yīng)為插在計(jì)算機(jī)PCI插槽上的PCI板卡，計(jì)數(shù)電路采用高速CPLD器件EPM7128實(shí)現(xiàn)，采
6、用抗干擾二倍頻方法設(shè)計(jì)，PCI接口器件采用PLX公司的PCI9052。自制旋轉(zhuǎn)編碼器及接口電路框圖如圖2所示，左邊虛線框內(nèi)是自制的旋轉(zhuǎn)編碼器電路，調(diào)整好帶槽光耦01和02之間的距離，轉(zhuǎn)動(dòng)帶齒光碼盤，A、B就會(huì)產(chǎn)生相位差為90°的脈沖信號(hào)。3倒立擺軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)倒立擺軟件系統(tǒng)一般都是在Windows操作系統(tǒng)中采用TurboC、VisualC++、C++Builder等可視化編程軟件開發(fā)，雖然實(shí)時(shí)性比較好，但控制算法實(shí)現(xiàn)難度較高，開發(fā)周期長(zhǎng)并且缺乏靈活性。筆者提出以計(jì)算、繪圖和仿真功能強(qiáng)大的Matlab軟件作為控制算法的開發(fā)環(huán)境，用Visual
7、C++開發(fā)MEX接口生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)作為Matlab與PCI數(shù)據(jù)采集卡和旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)采集卡進(jìn)行通信的中介，編制M文件實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，具有編程簡(jiǎn)單、工具箱函數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)分析方便等優(yōu)點(diǎn)。3.1Matlab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制有兩種可選擇的方法，編制M文件或利用Simulink，這兩種方法也可以交互使用。另外，也可以采用Matlab與第三方軟件相互調(diào)用的方法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。直接采用M文件編程簡(jiǎn)單易學(xué)，但運(yùn)行速度較慢；使用Simulink和Real-TimeWorkshop進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制參數(shù)修改方便，
8、運(yùn)行速度快，在仿真和調(diào)試完成后，可生成C代碼并移植到硬件直接使用，快速實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。Matlab環(huán)境下這兩種方法的數(shù)據(jù)交換過(guò)程如圖3所示，其中，上部是編制M文件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的數(shù)據(jù)交換過(guò)程。Ma
