基于DSP的倒立摆控制系统的研究
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摘要
作为一个自然不稳定系统，倒立摆一直被用作实时控制系统实验的控制设备。通过对它的研究不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论涉及的三个主要基础学科：力学、数学和电学(包含计算机)进行有机的综合应用。此外，在近代机械控制系统中，如航空航天上直升飞机、火箭发射、卫星发射及生活中的做体操、花样滑冰、单轮骑车等等，都存在类似于倒立摆的稳定控制问题。因此实现倒立摆系统稳定控制的研究对实际工程和现实生活有非常重要的意义。
本论文的主要目标是设计和建造一个基于数字信号处理器(DSP)的计算机控制系统来控制倒立摆的平衡。论文中用到的控制理论主要是线性控制理论和反馈控制理论。
本文首先对倒立摆的背景和研究现状作了总体介绍，简要的阐述了常见的控制算法。随后详细介绍了利用牛顿第二定律及相关的动力学原理建立一级和二级倒立摆的数学模型，并用MATLAB对倒立摆的运动特性进行了仿真。然后研究倒立摆系统的各种控制策略，比较了各种控制方法的效果。
本论文还设计了基于DSP的计算机控制系统。详细介绍了DSP硬件电路设计和外围电路设计，用C和汇编语言编写了系统的控制程序。
最后，对本论文进行了总结，对下一步要进行的工作提出了自己的设想。
整个论文的完成以一定的理论为基础，既有数学模型的分析与推导，方法理论的探讨，又有实际控制系统设计过程，而且研究对象相当典型。本文所完成的工作，既可以作为现代控制理论的教学实验，对于具有类似模型的其他装置如两足机器人的研究也有一定的借鉴作用。
As an inherently unstable system by nature, the inverted pendulum has been used as the controlled device in a prototype real-time control system. One can not only solve the control theory problem, but also put the mechanics, mathematics and electrics together through studying the inverted pendulum. In the modern mechanical control system, there is the same problem in the helicopters, the emitting of the rocket and the emitting of the satellite, In our lives, there is also the same question in the gym, skating and driving by bicycle. So the research of the inverted pendulum is very important both to the project and to our lives.
The main aim of this thesis is to design and construct an inverted pendulum system based on digital signal processor(DSP) and to control it. Linear and feedback control theory is required to keep the system stable.
At first, the background pendulum are introduced. Many control methods of the inverted pendulum are briefly illustrated. And then, this paper establishes the mathematic analytic models of single inverted pendulum and two-stage inverted pendulum according to the second law of Newton and the foundation of the dynamics , and simulates the activity feature of them by using MATLAB. Subsequently, research the different kind control algorithms of inverted pendulum system and compare the control effects of each control algorithms.
After that, a computer control system based DSP and its peripheral circuit are designed in this thesis in order to control inverted pendulum system, and the control algorithms are implemented in C and ASM language. The hardware and software of the system have been designed.
Finally, the results obtained and the lessons learned are summarized, and future work is discussed.
The research of this thesis based on definite theory, including the education and analysis ofmathematical model, discussion of methodology and the design of real control system. What's more, the research object is rather typical. The work presented here, not only can be used as a pedagogical experiment formodern control theory, but also can benefit practical problems with similar model such as the study of bipedal robots.
本论文的主要目标是设计和建造一个基于数字信号处理器(DSP)的计算机控制系统来控制倒立摆的平衡。论文中用到的控制理论主要是线性控制理论和反馈控制理论。
本文首先对倒立摆的背景和研究现状作了总体介绍，简要的阐述了常见的控制算法。随后详细介绍了利用牛顿第二定律及相关的动力学原理建立一级和二级倒立摆的数学模型，并用MATLAB对倒立摆的运动特性进行了仿真。然后研究倒立摆系统的各种控制策略，比较了各种控制方法的效果。
本论文还设计了基于DSP的计算机控制系统。详细介绍了DSP硬件电路设计和外围电路设计，用C和汇编语言编写了系统的控制程序。
最后，对本论文进行了总结，对下一步要进行的工作提出了自己的设想。
整个论文的完成以一定的理论为基础，既有数学模型的分析与推导，方法理论的探讨，又有实际控制系统设计过程，而且研究对象相当典型。本文所完成的工作，既可以作为现代控制理论的教学实验，对于具有类似模型的其他装置如两足机器人的研究也有一定的借鉴作用。
As an inherently unstable system by nature, the inverted pendulum has been used as the controlled device in a prototype real-time control system. One can not only solve the control theory problem, but also put the mechanics, mathematics and electrics together through studying the inverted pendulum. In the modern mechanical control system, there is the same problem in the helicopters, the emitting of the rocket and the emitting of the satellite, In our lives, there is also the same question in the gym, skating and driving by bicycle. So the research of the inverted pendulum is very important both to the project and to our lives.
The main aim of this thesis is to design and construct an inverted pendulum system based on digital signal processor(DSP) and to control it. Linear and feedback control theory is required to keep the system stable.
At first, the background pendulum are introduced. Many control methods of the inverted pendulum are briefly illustrated. And then, this paper establishes the mathematic analytic models of single inverted pendulum and two-stage inverted pendulum according to the second law of Newton and the foundation of the dynamics , and simulates the activity feature of them by using MATLAB. Subsequently, research the different kind control algorithms of inverted pendulum system and compare the control effects of each control algorithms.
After that, a computer control system based DSP and its peripheral circuit are designed in this thesis in order to control inverted pendulum system, and the control algorithms are implemented in C and ASM language. The hardware and software of the system have been designed.
Finally, the results obtained and the lessons learned are summarized, and future work is discussed.
The research of this thesis based on definite theory, including the education and analysis ofmathematical model, discussion of methodology and the design of real control system. What's more, the research object is rather typical. The work presented here, not only can be used as a pedagogical experiment formodern control theory, but also can benefit practical problems with similar model such as the study of bipedal robots.
引文
[1] 世界首例倒立摆实物控制系统在我校试验成功，北京师范大学学报(自然科学版)2002．10
[2] 王红霞．二级倒立摆的稳定控制：(硕士学位论文)。西安：西北工业大学图书馆，2002
[3] BDL二级倒立摆试验装置技术说明书．江苏省漂阳电子电器设备厂
[4] 张葛祥，李众立，毕效辉，倒立摆与自动控制技术研究，西南工学院学报，2001，Vol．16：12-16
[5] Bryson, A.E., Luenberger, D.G:, The Synthesis of Regulator Logic Using State-Variable control, Proceeding of the IEEE,1970,58(11):1803-1811
[6] Mora S, Nishihara H, Furuta K, Control of unstable mechanical system control of pendulum,INT J Control,1976;23(5):673-692
[7] Sturegeon W R, Loscutoff M V, Application of modal control and dynamic observers to control of a double inverted pendulum. Proc JACC Stanford,1972:857-865
[8] Furuta, K.T.Okutanti, H. Sone, Computer Control of a Double Inverted Pendulum, Computer and Elect, Engrg,5,1978:67-84
[9] 黄永宣，自动平衡装置倒置摆系统—一个有趣的经典控制理论教学实验装置，控制理论与应用，1987，4(3)：92-95
[10] 尹征琦，冯祖仁，陈辉堂，采用模拟调节器的三级倒立摆的控制，信息与控制，1985，1：6-10
[11] 梁任秋，赵松，唐悦等，二节倒立摆的数字控制器设计，控制理论与应用，1987，4(1)：115-124
[12] KFuruta, Computer control of a double inverted pendulum, Computer&Elect.Engng, 1978, Vol.5: 67-84,
[13] 张风登，何介奎，钱维铁，平行倒立摆的微型计算机控制，自动化学报，1989．15(5)：458-462
[14] 蒋国飞，吴沧浦，基于Q学习算法和BP神经网络的倒立摆控制，自动化学报，1998 24(5)：662-666
[15] 王直杰，方建安，邵世煌，采用模糊自适应评价的增强式学习控制，微型电脑应用，2000，16(2)：19-22．
[16] 刘妹琴，廖晓听，陈际达等，用进化RBF神经网络控制二级倒立摆，控制理论与应用，2000，17(4)：593-600
[17] Jyh. Shing Ronger Jang, ANFIS:Adaptive Network Based Fuzzy Inference System, IFRF Trans on Systems,Man,and Cybernetics,1993,23(3):665-685.
[18] 张乃尧，C.Ebert,R.Belschner,H.Strahl,倒立摆的双闭环模糊控制，控制与决策，1996，1：85-88
[19] 张乃尧，乐天，基于模糊神经网络的模型参考自适应控制，自动化学报，1996，17(5)：354-361
[20] 罗成，胡德文，祝晓才等，基于LQR和模糊插值的五级倒立摆控制，控制与决策2005．4：392-396
[21] 胡正涛，姚纪文．节倒立摆的观测器设计与实现．黑龙江自动化技术与应用，1988，7(2)：7-13
[22] Barto A q Sutton R S and Anderson C W. Neuron-like Adaptive Elements That Can Solve Difficult Learning Control Problems. IEEE Trans. On SMC, 1983,13(5):834846
[23] Anderson C W Learning to Control an Inverted Pendulum Using Neuron Networks. IEEE Control System Magazine 1989,9(3):3137
[24] 刘妹琴，廖晓听，陈际达等．用进化RBF神经网络控制二级倒立摆．控制理论与应用，2000，12(4)：593-596，600
[25] 杨振强，程树康，朴营国．二级倒立摆的递阶模糊神经网络控制．电极与控制学报，2002，6(3)：246-248
[26] 刑君，王磊，戴冠中．用BP算法加强倒立摆的模糊控制过程．西北工业大学学报，1996，14(4)：539544
[27] 张飞舟，范跃祖，沈程智．利用云模型实现智能控制倒立摆．控制理论与应用，2000，17(4)：519-523
[28] 张飞舟，范跃祖，沈程智．拟人智能控制倒立摆的单片机实现及品质鲁棒性．电气自动化，2000(3)：6-8
[29] 张飞舟，陈伟基．拟人智能控制三级倒立摆机理研究．北京航空航天大学学报，1999 25(2)：151155
[30] 叶敏，肖龙翔．分析力学．(第1版)．天津：天津大学出版社，2001．246
[31] 薛定宇，陈阳泉．基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用．(第1版)．北京：清华大学出版社，2002
[32] 郭刚，朱建坤．模糊和PID结合的控制器设计方法．现代科技理论与应用—第二届研究生学术报告年会论文集．西北工业大学出版社，1996．178-183
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[34] 徐波，飞机神经网络—模糊控制DSP防滑刹车系统：[硕士学位论文]．北京：北京航空航天大学图书馆，2002
[35] 张卫宁．TMS320C2000系列DSP原理及应用．(第1版)．北京：国防工业出版社，2002．6-10
[36] 刘和平、王维俊、邓力等．TMS320LF240x DSP C语言开发应用．(第1版)．北京：北京航空航天大学出版社，2003．1-2
[37] 尔桂花，窦日轩．运动控制系统．(第1版)。北京：清华大学出版社，2002．150
[38] Texas Instruments. TMS320C2x/C2xx/C5x Optimizing C Compiler User's Guide.1999
[39] Danbing Seto,Lui Sha. A Case Study on Analytical Analysis ofhe Inverted Pendulum Real-Time Control System. TECHNICAL REPORT. CMU/SEI-99-TR-023
[40] 董翠玲，二级倒立摆的稳定控制，西北工业大学硕士论文，2005
[41] 王海，倒立摆系统的控制分析及其混沌运动的研究，北京工业大学硕士论文 2005
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