基于C8051单片机的圆轨倒立摆控制系统设计

摘要

倒立摆系统是一个多变量、强耦合、严重非线性的自然不稳定系统，必须采用计算机控制的方法才能使之稳定。其控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的应用，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等均涉及类似倒立的问题，因此对倒立摆系统的研究在理论和应用方面有着重要意义。本文应用Cygnal单片机C8051F015设计了圆轨倒立摆控制系统。主要完成以下各项工作： (1)分析了国内外控制倒立摆系统的情况，简要介绍了Cygnal单片机的特点、发展和应用。 (2)分析了控制系统的功能要求，制定了总体设计方案，并详细阐述倒立摆控制系统的硬件设计和软件设计过程。硬件设计分为处理器、电机驱动、A/D转换、D/A转换、电源以及其它单元；软件设计分为初始化、主程序和子程序等三个模块。 (3)应用最优控制理论设计了相应的控制器，实现了圆轨一级倒立摆的摆起和二级倒立摆的平衡控制。 (4)从能量的角度推导单摆的摆起机理，实现了圆轨一级倒立摆的自动摆起。 (5)从能量的角度推导二摆的摆起机理，给出了二级倒立摆摆起控制仿真曲线。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1倒立摆系统研究的理论意义

1.2倒立摆系统特性

1.3倒立摆的种类

1.4倒立摆系统控制研究现状

1.4.1倒立摆系统平衡控制现状

1.4.2倒立摆系统摆起控制现状

1.5 CYGNAL系列单片机

1.6本文的工作

第二章C8051单片机

2.1选择F015的原因：

2.2 CIP.51内核

2.3存储器

2.4 JTAG调试和边界扫描

2.5可编程数字I/O和交叉开关

2.6可编程计数器阵列

2.7串行端口

2.8模/数转换器

2.9数/模转换器

2.10比较器

第三章倒立摆控制系统设计

3.1概述

3.1.1硬件设计任务

3.1.2软件设计任务

3.2倒立摆控制系统硬件设计

3.2.1 CPU单元

3.2.2 C8051F015单片机简介

3.2.3 JTAG接口电路设计

3.2.4可编程数字I/O

3.2.5振荡器

3.2.6电压基准

3.2.7复位

3.2.8电源、驱动电路

3.2.9硬件设计中需要注意的问题

3.3倒立摆控制系统软件设计

3.3.1Cygnal IDE开发环境

3.3.2软件设计思想

3.3.3模块化设计

3.3.4初始化模块

3.4采样程序框图

3.5程序模块

3.5.1主程序模块

3.5.2子程序模块

3.6软件抗干扰设计

3.6.1指令冗余技术使用

3.6.2软件陷阱技术使用

3.6.3“看门狗”技术使用

3.6.4测量信号软件抗干扰技术的使用

第四章控制算法与实现

4.1圆轨一级倒立模型的建立

4.2圆轨二级倒立摆系统模型的建立

4.3圆轨一级倒立摆摆起过程分析

4.3.1基于开环控制律的摆起

4.3.2基于闭环能量控制的摆起

4.3.3仿真与实验

4.4圆轨二级倒立摆基于能量摆起过程分析

4.4.1基于闭环能量控制的摆起

4.4.2仿真与实验

4.5线性二次型最优调节器

4.5.1线性最优控制

4.5.2线性二次型最优调节器的设计

4.5.3线性二次型最优调节器稳定性分析

4.5.4仿真与实验

第五章8279显示电路

5.1 8279介绍

5.2 8279时钟频率的得到

5.3 8279初始化

5.4显示程序框图

第六章结束语

参考文献

致谢

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