摘要：简易的旋转倒立摆旋转系统是一个非线性，多重变量，多种控制集合一体的自动控制系统。即使它本身是一个非常不稳定而且多变的控制对象，但是如果运用合适的控制手段就可以使它本身具有良好的可控性和稳定性，通过对倒立摆的研究可以为工程实践提供一个从理论控制通往实践的桥梁，使之得到充分的利用。通过对该复杂而且不可控的系统研究可以解决许多控制问题：非线性控制问题，重心在上端而主体在下端的平衡问题。

本课题需要设计一个基于单片机控制的简易旋转倒立摆系统，其中的机械部分包括旋转臂，轻质摆杆，直流电机，精密导电塑料电位器，其中硬件部分包括STM32单片机，驱动电路，电源模块，按键电路等部分组成，同时和软件程序共同组成一个完整的倒立摆控制系统。并且以STM32为微型控制器的核心芯片，采用直流有刷电机作为旋转臂的动力来带动摆杆的摆动，由于采用单片机控制直流电机，利用L298N驱动电路，以电位器作为角度检测模块，将产生的模拟信号传入单片机内进行处理从而得到摆杆角度值的变化。最后控制器通过控制规律的计算然后最终控制电机去改变工作状态，同时经过增量式PID控制算法的控制从而得到电机所需的角速度和方向，最终达到控制效果。

关键字：旋转倒立摆；单片机；直流电机；电位器；PID控制算法

目录

摘要

Abstract

1 绪论-1

1.1 引言-1

1.2 研究意义-1

1.3 设计任务及其要求-1

1.3.1 设计任务-1

1.3.2 设计要求-2

1.4 系统总体方案设计-2

2 旋转倒立摆摆动理论分析-3

2.1 倒立摆数学模型的建立与分析-3

2.1.1 倒立摆的系统结构-3

2.1.2 倒立摆数学模型的建立-4

2.1.3 基于系统方程的系统结构分析-8

2.2 PID控制算法-8

2.2.1 PID控制简介-8

2.2.2 PID控制各部分的特点-8

2.2.3 PID控制器的参数整定-9

2.2.4 PID控制原理图-9

3 方案的比较与论证-11

3.1 系统方案论述-11

3.2 选型方案的比较-11

3.2.1 电机选型论证-11

3.2.2 电机驱动方案论证-12

3.2.3 角度检测方案论证-13

3.2.4 电源模块-14

3.2.5 主控芯片的选择-14

3.3 选型器材介绍-14

3.3.1 直流无刷电机-14

3.3.2 精密导电塑料电位器WDD35D4-15

3.3.3 电机驱动模块-15

3.5 软件及电路设计-16

3.5.1 STM32最小系统-16

3.5.2 电位器连接电路-19

3.5.3 液晶显示电路的设计-20

3.5.4 电机驱动模块连接电路-21

4 算法设计-23

4.1 程序设计-23

4.2 针对电机驱动的PWM波调速设计-24

4.3 起摆算法设计-25

4.4 倒立摆稳定控制PID算法-26

5 旋转倒立摆的实验结果及分析-27

5.1 实验结果测试方案-27

5.1.1 主要测试仪器及条件-27

5.1.2 测试方案-27

5.2 实验结果分析-28

总结-29

致谢-30

参考文献-31

附录 系统原理图-32