倒立摆系统说明

控制对象：旋转倒立摆
控制器：XS128

关于控制对象的基本说明

控制目标

• 摆杆从初始时刻能够自己起振到最高位置，并在最高位置保持不动或者在很小范围内运动
• 摆杆受到外部干扰（硬币或手等的敲打使其偏离竖直向上的位置）时可以自动恢复到目标位置

控制对象基本参数以及控制方式的选取

• 电机PWM控制频率
  
  • 10KHz
  • 理由
    
    • 频率特别小时，电机虽然死区比较小，但是电机特性比较硬，很小的占空比即可以产生较大的速度，而且速度调节精度很难控制（给调节参数带来困难）。
    • 频率小时，电机有可能工作在电流断续状态，对点击有害，而且电机产生的噪声比较大
• 控制周期
  
  • 0.5ms
    
    • 将控制系统分为2事件，事件1进行速度控制（外环），事件2进行角度控制（内环），外环控制周期为100ms，内环控制周期为1ms；事件2中进行电机PWM的输出。故相当于每1ms输出1次PWM波
  • 理由
    
    • 控制周期太小，系统震荡；控制周期太大，系统反应不及时
    • 此处的控制周期是参考学长的控制周期
• 2级PID的选取
  
  • 角度环
    
    • 位置式PID
  • 速度环
    
    • 增量式PID
    • 速度环的输出作为角度环的输入，而在此时角度环的初始设定值为250，因此如果用位置式的PID算法，得到的角度还需要进行处理（在静止不动时输出为250）才能赋值给角度环的输入

• 起振

  • 在摆杆竖直向下时，当摆角小于某一角度值时，输出固定占空比的PWM波，当摆角大于某一值时，电机

  • 摆动过程中判断摆杆的方向，使得无论摆杆无论在哪个方向上摆动，电机的转动方向都会使它继续沿着那个方向加速摆动

    • 实现方法：同时判断摆杆角度和运动方向，再进行控制

    • 代码

      if( (PID4Pend.GetVal < LimA) || ( PID4Pend.GetVal >= ( 500 - LimA ) ) )
      {
          OutDuty = 1200;
          if(PendDir==1) dir=2;
          else dir=1;
      }
      if( (PID4Pend.GetVal < (500 - LimA)) && (PID4Pend.GetVal > 260 ))
      {
          OutDuty = 0;
      }
      if( (PID4Pend.GetVal > LimA) && (PID4Pend.GetVal < 240 ))
      {
          OutDuty = 0;
      }
      SetMotorVoltage( OutDuty , dir );
      

• 编码器读取的方式

  • 外部中断
  • 注意事项
    
    • 在初始化时刻将外部中断优先级设置为最高
    • 在进入串口中断或者定时中断时，均需要再次调用EnableInterrupts使能中断
    • 因为摆杆在摆动的时候会产生零偏，即编码器的值会逐渐偏离原点（振动产生，对应此处的250）；解决办法：用Z进行复位，记录Z相脉冲低电平时对应的脉冲个数，每次Z相外部中断触发时，直接改变脉冲计数的值。
    • 编码器需要A、B、Z相需要加上拉电阻，可以通过软件配置上拉电阻即可。

• 速度环的输出方式

  • 斜坡输出

    • 目前采用的是这种方式，将得到的输出量按照斜坡的方式继续拧输出

  • 阶跃输出

    • 还没有尝试

调试过程中遇到的问题

• 电机死区的处理

  • 计算输出占空比小于死区占空比时，电机不转动
    
    • 目前采用的是这种方法
  • 电机输出占空比小于死区占空比时，电机按照最小速度运动
  • 将计算得到的占空比得到输出占空比按照一次函数关系进行输出，如OutDuty = 0.94 * OutDuty + 0.06，其中0.06是电机死区对应的占空比

• 关于系统动态与稳态的协调问题

  • 问题说明：采用PI控制时，摆杆由自由下垂能够自动摆到竖直向上的位置，并保持运动在90度的范围内（一般在45度范围内），说明系统的稳态性能达到要求，此时如果用外力使摆杆发生抖动，抖动较小时，摆杆可以回到稳态，但是如果比较大的时候，就不能回到稳态，比如施加干扰使其超过PID的控制角度范围；采用PD控制时，摆杆可以自起振，同时受到外界干扰可以比较好地恢复，但是它不能保持在90度的范围内，而是沿着某个方向缓慢旋转，即动他性能达到要求，而稳态性能不符合要求。
  • 解决办法：在摆杆处于PID的控制模式时，采用PI控制，满足系统的稳态指标，处于启动模式时（即偏离竖直向上的角度大于某个值），采用PD控制，满足系统的动态要求。

一些管脚定义

串口

• PS0 -> RXD0
• PS1 -> TXD0

L298N驱动

• IN1 -> PB1
• IN2 -> PB0
• ENA-> PP1

编码器

• 摆杆编码器
  
  • A相（黑线） ：PA0（GPIO读取方向）
  • B相（白线） ：PH0（外部中断读取脉冲）
  • Z相（橙线） ：PH1（外部中断清零操作）
  • 蓝线：GND
  • 棕线：VCC（5V~12V）
• 旋转电机编码器
  
  • 1、2 ：可以不接
  • pin3 ：VCC通过100欧姆的电阻（限流）和该管脚连接
  • pin4 ：PA1（GPIO读取方向）
  • pin5 ：PH2（外部中断读取脉冲）
  • pin6 ：GND

关于编程方法的一些说明

• 在.c文件里定义，在对应的.h文件中用extern声明
• 如果要引用该变量，可以在.h文件中#include一下，或者用extern int value