基才Matlab的倒立擺系統(tǒng)實時模糊控制研究.doc

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1、基才Matlab的倒立擺系統(tǒng)實時模糊控制研究徐雄，石曙東(湖北師范學院計算機科學系，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，因而成為控制理論教學和科研的典型對象，以往主要通過軟件仿真或在精密倒立擺上實現(xiàn)各種控制算法，而對倒立擺硬件系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)報道卻甚少。目前，國內(nèi)各高?；旧隙疾捎孟愀酃谈吖竞图幽么驫uanser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開發(fā)，研發(fā)周期長，并且不提供源代碼，缺乏可讀性和再利用性。本文介紹一種倒立擺系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)，其硬件系統(tǒng)

2、具有低成本、高可靠性和穩(wěn)定性等優(yōu)點；其軟件系統(tǒng)在Matlab環(huán)境下編程和實時控制，源代碼完全開放，而且可調(diào)用豐富的Matlab工具箱函數(shù)，非常適用于教學和科研上的再學習和開發(fā)。2倒立擺系統(tǒng)的硬件設(shè)計一級水平倒立擺硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示，多級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)由導軌、力矩電機、滑塊與擺桿、皮帶等部件組成。擺桿連接滑塊，滑塊由皮帶拖動在導軌上滑行?；瑝K離中心點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，通過旋轉(zhuǎn)編碼器信息采集卡轉(zhuǎn)換后對應于θ和x的計數(shù)值。在導軌的兩側(cè)各有一個限位開關(guān)(常閉)，當滑塊滑行到兩側(cè)時，將碰到限位開關(guān)并使其斷開

3、，用來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運行。限位開關(guān)的通斷信號由數(shù)據(jù)采集卡I／O采集，控制電壓通過數(shù)據(jù)采集卡D／A輸出，經(jīng)過力矩電機控制器轉(zhuǎn)換后作用于電機。硬件系統(tǒng)組成部件說明如表1所列。2.1力矩電機控制器設(shè)計數(shù)據(jù)采集卡D／A輸出電壓一般為0V～+5V或0V～+10V，而力矩電機的伺服驅(qū)動電壓為-24V～+24V，因此需要設(shè)計一個控制器，將數(shù)據(jù)采集卡的輸出電壓按比例轉(zhuǎn)換成力矩電機控制所需的伺服電壓。力矩電機控制器采用不帶MPU的分立元件反饋方法設(shè)計，以提高可靠性。當電機帶動小車運動到兩端碰到限位開關(guān)時，施加在電機上的電壓必須馬上變成0V，電機立即停止

4、轉(zhuǎn)動，但力矩電機的堵轉(zhuǎn)電流非常大，會擊穿達林頓管，因此在設(shè)計力矩電機控制器時，應考慮碰到限位開關(guān)時要立即切斷電機的達林頓輸出電路，使電機端的電壓箝位于0V。2.2旋轉(zhuǎn)編碼器接口設(shè)計擺桿的角度(θ)是倒立擺控制所需的最主要的反饋檢測信號，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電路實現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)編碼器的典型輸出為兩個相位差90°的方波信號(A和B)以及零位脈沖信號Z。其中，Z脈沖信號標志旋轉(zhuǎn)編碼盤轉(zhuǎn)過的圈數(shù)(每圈360°)，A、B兩相

5、信號脈沖數(shù)標志轉(zhuǎn)編碼盤轉(zhuǎn)過的角度，A、B之間的相位關(guān)系為碼盤的轉(zhuǎn)向，即當A相超前B相90°時，標志碼盤正轉(zhuǎn)；當B相超前A相90°時，標志碼盤反轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路將A、B、Z脈沖信號轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)碼盤轉(zhuǎn)過角度的計數(shù)值，一般采用單片機來實現(xiàn)。從光電編碼器接口電路要求高速度、高精度和計算機接口等方面考慮，本系統(tǒng)設(shè)計的旋轉(zhuǎn)編碼器接口應為插在計算機PCI插槽上的PCI板卡，計數(shù)電路采用高速CPLD器件EPM7128實現(xiàn)，采用抗干擾二倍頻方法設(shè)計，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

6、01和02之間的距離，轉(zhuǎn)動帶齒光碼盤，A、B就會產(chǎn)生相位差為90°的脈沖信號。3倒立擺軟件系統(tǒng)設(shè)計倒立擺軟件系統(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)，雖然實時性比較好，但控制算法實現(xiàn)難度較高，開發(fā)周期長并且缺乏靈活性。筆者提出以計算、繪圖和仿真功能強大的Matlab軟件作為控制算法的開發(fā)環(huán)境，用VisualC++開發(fā)MEX接口生成的動態(tài)鏈接庫(DLL)作為Matlab與PCI數(shù)據(jù)采集卡和旋轉(zhuǎn)編碼器信號采集卡進行通信的中介，編制M文件實現(xiàn)模糊控制算法，具有編程簡單、工具箱函數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)分析方便等優(yōu)

7、點。3.1Matlab環(huán)境下實現(xiàn)實時控制用Matlab對系統(tǒng)進行實時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)用的方法實現(xiàn)實時控制。直接采用M文件編程簡單易學，但運行速度較慢；使用Simulink和Real-TimeWorkshop進行實時控制，控制參數(shù)修改方便，運行速度快，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)交換過程如圖3所示，其中，上部是編制M文件實現(xiàn)實時控制的數(shù)據(jù)交換過程。Ma