自动控制原理创新实践教学探究——以基于STM32的一阶旋转倒立摆实验装置设计为例

结合创新课程需要,以提高自动化类学生的理论结合实践能力为出发点,基于STM32设计并制作了一阶旋转倒立摆实验装置。该装置采用并级双闭环PID控制策略,一个控制旋转臂角度,一个控制摆杆倒立角度,实现了对一阶旋转倒立摆的起摆和稳摆控制(起摆时间为3 s,受扰动后的调节时间为0.4 s),并给出了一阶旋转倒立摆装置的总体设计方案、硬件电路和软件设计过程。实践表明,该装置搭建方便,易于理解和掌握知识点,适合于自动化类学生学习使用,可以有效调动学生的学习积极性,培养其深入思考能力,激发其创新思维。     

基于Quanser平台的旋转单级倒立摆控制系统的研究与实现

倒立摆系统的稳定控制是控制理论中的典型问题,在倒立摆的控制过程中能够有效反映控制理论中的许多关键问题,如非线性、鲁棒性、跟踪问题等。文章基于Quanser平台,在Matlab/Simulink中搭建了旋转单级倒立摆实时控制系统,对其进行了建模分析,并设计了PID控制器。从仿真结果可以看出,PID控制器实时控制效果较好,倒立摆摆杆角度响应平滑,抖动小。     

基于 FPGA 的倒立摆模糊 PID 控制器设计实现

在 FPGA 上设计部署模糊自适应 PID 算法,并针对典型的自动控制对象——直线倒立摆完成稳摆控制,以验证该算法的硬件可实现性。在直线倒立摆模型基础上,运用模糊控制理论对 PID 参数进行自适应整定,再根据模糊 PID 处理过程,结合离散 PID 算法,采用半查表加半计算方式,在 Quartus II 及 Modelsim 平台上完成 Verilog HDL 的硬件编程设计与仿真。通过 Simulink 仿真比较可知,模糊自适应 PID 相对于经典 PID 控制的响应性能指标更优,最后基于 EP4CE6E22C8N 芯片,以较少的资源开销实现了控制器设计。基于 FPGA的模糊自适应 PID 控制器能够充分利用该器件特性,凸显模糊自适应 PID 算法优势,实现对倒立摆的实时控制。     

基于模糊策略的单级旋转倒立摆控制

单级旋转倒立摆系统是一种典型的非线性、不稳定的控制对象和广泛应用的物理模型。本文介绍了单级旋转倒立摆的构成以及系统结构,并设计了模糊控制器。以加拿大Quanser公司生产的旋转倒立摆系统为研究对象,进行了实验研究。实验结果表明该模糊控制器在动态指标和稳态精度方面都有明显的优越性。     

倒立摆系统数学建模与PID控制器实现

针对多变量、非线性、强耦舍性的倒立摆系统,采用牛顿一欧拉法建立了其动力学方程,并进行了线性化处理,得到了状态空间模型,从而设计出一种传统PID控制方案,实现了对摆杆的稳定控制。最后在MATLAB环境下进行了计算机仿真,仿真结果表明,摆杆角度控制过程具有良好的动态性能和稳态性能,验证了建模的正确性和控制方案的有效性。     

一阶倒立摆的 PID 控制

倒立摆系统是自动控制理论课的理想实验对象，本文介绍了一阶倒立摆系统的构成和数学模型，设计了PID控制器，在MATLAB环境下进行仿真，并在实验装置上进行了实验。     

旋转二级倒立摆的双闭环模糊控制

针对加拿大Quanser公司提供的旋转二级倒立摆实验装置,利用Lagrange方程进行系统建模,并将双闭环模糊控制方案应用到旋转二级倒立摆模型上。双闭环结构中,内环控制下摆杆角度,外环控制上摆杆角度,针对内外环分别设计了模糊控制器。实验结果表明,该方案简单、可行,并在实时控制中具有良好的控制性能。     

基于52单片机的旋转倒立摆的研究和设计

提出了基于52单片机和PID控制算法采用角位移传感器控制直流力矩电机的旋转倒立摆的设计方案.实验表明该倒立摆系统稳定、结构简单、成本低、控制容易,实现摆角超过-60度到60度及整个圆周运动,当摆杆处于倒立姿态时施加外力干扰,能在5s内恢复倒立,并且保持倒立时间超过10s.     

基于遗传算法和神经网络的倒立摆控制系统

以单级倒立摆为对象,介绍了一种融合遗传算法的神经网络控制方法。该方法采用以多层前馈神经网络作为遗传搜索表示方法的思想,以神经网络为基础,用遗传算法来学习神经网络的权系数,既保留了遗传算法的强全局随机搜索能力,又具有神经网络的鲁棒性和自学习能力。仿真结果证明:遗传算法和神经网络的结合,可兼有神经网络广泛映射能力和遗传算法快速全局收敛等性能。     

基于 STM32 控制的平衡小车系统设计

为了响应节能环保、绿色出行倡议,缓解城市交通拥挤状况,提出一种基于 STM32F103C8T6 芯片控制的两轮平衡小车设计方案。以 MPU-6050 作为小车姿态传感器获取小车车体倾角和角速度,基于卡尔曼滤波算法对姿态传感器采集到的的数据进行滤波融合,利用霍尔编码器测量小车车轮转向和转速,运用 PID 算法对控制要求和采集的数据信息进行计算分析并输出控制 PWM,经由 TB6612 电机驱动模块驱动电机,实现小车自主平衡并具备一定的抗干扰能力。另外小车通过蓝牙模块与手机 APP 通信,可通过手机端控制小车前进、后 退、转弯等动作。     

基于STM32的永磁同步电机驱动器设计

设计了一种采用永磁同步电机驱动、STM32处理器、空间磁场定向控制技术(FOC)和空间电压矢量脉宽调制技术等开发的专用驱动器,实现永磁同步电机的数字化变频调速,实现了无传感器技术在永磁同步电机控制的应用,大大降低了驱动器的成本。     

基于STM32的电力谐波测试仪的设计

确定电力谐波测试仪的硬件系统和软件系统的设计方案,其中硬件系统包括STM32芯片、电流互感器、A/D电路、显示屏等器件;软件系统中,采用FFT和相位差校正法,对电力谐波参数进行测量并校正;将信号发生器产生的信号谐波测试结果和Matlab仿真结果对比。对比结果表明,此设计测量频率和幅值的准确度较高。     

基于STM32的断纱检测控制器设计

设计了一个基于STM32的断纱检测控制器,作为一个人机界面进行人机交互,通过RS485总线可以与8台断纱检测设备进行通信,具有实时检测每个设备的状态,瑕疵检测图像的显示,参数修改,设备调试等功能。同时可以放在办公区域,提高了工作效率,经过在纺织企业测试,此设备从功能上和人性化方面都达到了要求。     

基于STM32的室内定位系统设计

介绍了一种基于STM32处理器的超声波室内定位系统,阐述了超声波室内定位系统硬件电路构成、工作原理及软件设计。系统采用单向测距法,降低对被测表面的要求,应用范围广。数据通过USB口传给计算机,可实现实时跟踪,结构简单,工作可靠。     

基于STM32的多功能MP3设计

采用ARMCortex—M3为内核的STM32F103zET6作处理器,设计一款多功能的MP3音乐播放器。以uCOS—II为操作系统,uCGUI为图形界面,实现了音乐播放器功能、数码相框功能、电子书功能、计算器功能、万年历功能、照相机功能、语音控制功能、设置功能。实物运行表明该多功能MP3适用实际应用的需求。     

基于STM32的USB HID接口多功能控制器设计

在STM32处理器平台上使用USB HID接口协议设计了一种低成本的多功能控制器,控制器通过USB接口收到上位机指令后可进行变频、变占空比的PWM信号输出、GPIO读入和输出、模拟量AD采集等多种功能;上位机软件采用一组通用的HID接口的API函数实现对下位机硬件的读写控制,而且免驱安装,能显著降低开发成本。实验验证的结果表明,系统可以稳定运行。     

基于STM32的自动划线小车设计

目前市面上的划线设备仍需依赖人的视觉观测、手动操纵,沿基准线喷涂标线。为了提高划线效率,降低人工成本,提出一种基于STM32的自动划线小车系统。该系统由遥控器及行进控制两大部分构成。首先将拟划线路径按比例缩放,依据遥控器模块上液晶屏分度值,通过遥控器按键将路径输入至液晶屏,也可直接调出标准路径;然后将数据打包成数组形式,通过无线传输模块NRF发送至小车控制器;最后启动小车,小车按照预定轨迹实现划线任务。多次实验验证表明,该系统可实现自动划线任务,具有划线稳定、作业高效等优点。     

基于STM32F103VC和CAN总线的汽车仪表系统的设计

通过对汽车仪表发展趋势的研究,提出一种通用汽车仪表系统的设计思路。采用STM32F103VC作为核心控制器,现场总线CAN作为系统的控制总线,完成了汽车仪表系统的硬件设计和软件设计。该系统具有硬件结构简单、软件可裁剪性强、工作可靠等特点,实验结果表明,该汽车仪表系统运行良好,满足设计要求。