状态反馈的倒立摆PID控制

导读。通过对一阶旋转倒立摆系统原理的分析，选用单片机作为控制器，直流电机作为执行器，电位器式角度传感器作为回馈环节，采用ＰＩＤ控制算法设计实现了一阶旋转倒立摆控制系统。实验结果表明该系统在稳定的基础上具有较强的鲁棒性，验证了ＰＩＤ控制算法在一阶旋转倒立摆系统中应用的可行性和有效性。

摘要。通过对一阶旋转倒立摆系统原理的分析，选用单片机作为控制器，直流电机作为执行器，电位器式角度传感器作为回馈环节，采用ＰＩＤ控制算法设计实现了一阶旋转倒立摆控制系统。实验结果表明该系统在稳定的基础上具有较强的鲁棒性，验证了ＰＩＤ控制算法在一阶旋转倒立摆系统中应用的可行性和有效性。

０引言

倒立摆作为一种典型的控制系统实验装置，具有非线性、自然不稳定等特性，常用来作为检验某种控制理论或方法是否合理的典型方案。一阶倒立摆系统能用多种理论和方法来实现其稳定控制，如ＰＩＤ、自我调整、状态回馈、模糊控制及人工神经元网络等多种理论和方法都能在倒立摆系统控制上得到实现。

１系统构成及工作原理

图１为一阶旋转倒立摆结构示意图。直流电机作为唯一的动力装置，与旋臂保持刚性连接，带动旋臂在水平面内旋转，旋臂的一端通过转轴（本系统选用电位器角度传感器）与摆杆连接，摆杆可做垂直于旋臂的圆周运动。在自然状态下，摆杆为竖直下垂状态。倒立摆控制的目的是通过控制直流电动机的运动状态，使摆杆保持倒立状态。

图１倒立摆结构示意图

系统工作原理如下。摆杆摆动时，角度传感器检测摆杆的角度，根据角度传感器的输出特性，其输出电压经Ａ／Ｄ转换器转换成电压数字量，该数字量与期望的值进行比较产生偏差，通过单片机对该偏差进行处理，即ＰＩＤ控制运算，根据运算结果产生控制信号控制电机和旋臂的转动，使摆杆的角度与期望的角度更接近。

倒立摆控制系统结构框图如图２所示，单片机（５１单片机）为控制器，直流电机为执行器，倒立摆为被控对象，倒立摆角度为被控量，角度传感器和模数转换器构成反馈回路。

图２倒立摆控制系统结构框图

２倒立摆控制系统的硬件设计

２.１单片机最小系统

该系统中选用了ＳＴＣ９０Ｃ５１单片机，该型单片机