基于DSP倒立摆制约系统探讨

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先容，扼要的阐述了常见的控制算法。随后具体先容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。具体先容了DSP硬件电路设计和电路设计，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鉴戒作用。【关键词】：倒立摆DSPMATLAB仿真数学模型
【论文提纲】：摘要3-4ABSTRACT4-7第1章绪论7-141.1倒立摆控制系统的简介7-101.1.1倒立摆的出现71.1.2简单倒立摆系统7-91.1.3倒立摆研究的意义9-101.2倒立摆系统研究的发展10-121.2.1倒立摆理论研究的发展过程10-121.2.2倒立摆系统的控制规律121.3论文的主要工作先容12-14第2章倒立摆系统建模、仿真与分析14-272.1倒立摆系统建模方法14-152.2倒立摆系统数学模型建立15-242.2.1一级倒立摆的数学模型16-172.2.2二级倒立摆的数学模型17-202.2.3数学模型的线性化处理20-242.3倒立摆系统的仿真与分析24-262.3.1一级摆的仿真结果与分析24-252.3.2二级摆的仿真结果与分析25-262.4本章总结26-27第3章倒立摆系统的控制器设计27-433.1倒立摆系统方程27-283.2控制策略的选择283.3常规PID控制28-303.4状态空间反馈控制30-353.4.1全状态反馈法30-333.4.2观测器的设置33-353.5冗余控制器的设计35-423.5.1稳定问题的研究35-383.5.2线性方程的求解与仿真38-403.5.3算法切换的实现40-423.6本章总结42-43第4章倒立摆控制系统的硬件先容43-564.1TMS320C24x系列DSP简介43-454.1.1TMS320LF2407A先容44-454.2系统硬件电路设计45-554.2.1DSP系统46-514.2.2控制系统的电路51-554.3本章总结55-56第5章控制系统软件部分设计56-655.1DSP的软件平台简介56-605.1.1链接文件CMD56-585.1.2中断矢量表58-605.2软件系统的简介60-615.3主程序清单61-645.4本章总结64-65总结65-66参考文献66-68攻读硕士期间发表的论文68-69致谢69