简易旋转倒立摆控制系统设计与实现

"简易旋转倒立摆及控制装置电子设计.pdf" 该文档是关于2013年全国大学生电子设计竞赛中C题——简易旋转倒立摆及控制装置的设计报告。这个设计项目旨在构建一个能够实现大角度摆动、圆周运动以及倒立自平衡的平面圆周倒立摆控制系统。系统主要由双向编码器、陀螺仪-加速度计模块、直流减速电机以及辅助调试模块（包括液晶显示和键盘）组成。 1. 系统方案 - 任务与要求：设计要求搭建一台能够进行正负60°以上摆动、圆周运动以及倒立自平衡的装置，通过双向编码器和陀螺仪-加速度计监测旋转臂角度和摆杆角度。 - 系统结构：系统采用直流减速电机控制旋转臂，两个PID控制器分别负责旋转臂角度和摆杆角度的控制。 - 方案比较与选择：团队根据现有条件选择了最佳方案，利用编码器和陀螺仪-加速度计进行角度测量，直流电机执行动作控制。 2. 系统理论分析与计算 - 电机选型：选择适合的电机以满足摆动和旋转的需求，考虑电机的扭矩、速度和控制精度。 - 摆杆状态检测：通过传感器获取摆杆角度信息，为PID控制器提供输入。 - 驱动与控制算法：采用PID算法，通过调整参数实现对摆杆姿态的精确控制。 3. 电路与程序设计 - 电路设计：包括总体框图、电动机驱动模块和电源模块的电路原理图，详细描述了各个部分的电路布局。 - 程序设计：程序功能描述了如何实现摆杆控制、数据处理和用户交互，程序流程图则展示了代码的执行逻辑。 4. 系统测试 - 测试条件与仪器：列出进行系统性能评估所需的环境和测试设备。 - 测试方法与结果分析：详细描述了测试过程和分析结果，验证了系统设计的有效性和稳定性。 关键技术和概念包括： - 旋转倒立摆：一种在不稳定状态下保持平衡的物理系统，需要精确控制才能稳定。 - PID控制器：比例-积分-微分控制器，用于调节系统的响应，达到设定的目标值。 - 陀螺仪-加速度计：传感器组合，用于实时监测和测量物体的角速度和加速度。 - 直流减速电机：提供精确的旋转动力，适合需要精细控制的应用。 - 液晶显示+键盘辅助调试模块：提高系统的调试效率和用户体验，允许用户查看实时数据和调整参数。 这个设计项目综合了机械、电子、控制等多个领域的知识，体现了大学生在实际工程问题上的解决能力。通过这个项目，参赛者不仅学习到了硬件设计和软件编程技能，还掌握了动态系统控制和传感器应用等核心概念。