Cengxian يانغ 1،2، 3،4 Yanghong لى يو Hanqi 1، تشو نانفنغ 1

(1. معهد نانجينغ للمركز الهندسة ونانجينغ وجيانغسو 211167؛ (2) قسم الرياضيات، جامعة نانجينغ، نانجينغ 210093، الصين؛ 3. شولي معهد بو نانجينغ للتكنولوجيا، ونانجينغ 211167؛ 4. كلية علوم الغلاف الجوي، جامعة نانجينغ، نانجينغ 210093، الصين)

دوار هيكل البندول المقلوب هو بسيط، ولكن تعقيد نظام التحكم. يدخل مبدأ التناوب مقلوب هيكل البندول، واستخدام الميكانيكا التحليلية لاغرانج المعادلة إنشاء خطي نموذج رياضي من البندول المقلوب الدوار، الصيغ استنتاجها والمعادلة أكثر دقة للدولة، وتحليل دوران مقلوب عدم الاستقرار البندول والتحكم الجنس. تصميم من الأجهزة نظام التحكم والبرمجة البرمجيات، والسيطرة على العملية برمتها من نظام جمع البيانات والتمثيل البياني، ويحلل البندول في التأرجح من تدلى بشكل طبيعي تحقيق عملية 180 درجة مقلوب. يتم التحكم في نظام منفصلة تنظيم PID خوارزمية لضمان استقرار النظام، وإشارة تدخل إلى مرشح كالمان لتصفية ممكن لضمان دقة البيانات.

البندول دوار مقلوب، لاغرانج، نموذج رياضي، كالمان مرشح، واللوائح التنظيمية PID

البندول المقلوب هو منصة مثالية لدراسة نظرية عن نطاق السيطرة، وهيكلها هو بسيط وتكلفة منخفضة، هو متعدد متغير نموذجي، السريع، غير الخطية وعدم الاستقرار بشكل طبيعي. مقلوب البندول بالتناوب من قبل قوة خارجية، يتم نقلها تلقائيا من حالة التوازن إلى حالة مستقرة التوازن آخر من هذه العملية، منذ وضعت كل من المتطلبات بسرعة ويتطلب مراقبة لفة يمكن تحقيق الاستقرار بسرعة وصول نقطة توازن جديدة .

FIG 1 هو مخطط التكوين البندول الدوار. هو مقلوب دوران مبدأ البندول: عندما يكون ذراع دوار عاد استدارة وإيابا في المستوى الأفقي المحرك، لأن الجمود البندول سوف تتأرجح ذهابا وإيابا حول رمح 2 في طائرة عمودية، عندما تصل الطاقة قيمة معينة، واتساع الأرجوحة أكثر من 180 تشكيل دولة مقلوب. نظام SCM عن طريق التحكم البندول المقلوب بسرعة هو المحتوى الرئيسي من هذه الورقة. أولا، نموذج رياضي، ثم تصميم البرمجيات رقاقة واحدة وأجهزة النظام، وتصحيح أخيرا والتحليل، والمقلوب نظام البندول السيطرة SCM الدوار.

1 نموذج رياضي خلق

قبل إنشاء نموذج رياضي، تعيين مقاومة الهواء لا يكاد يذكر. من خلال نظام المحرك ونوعية م البندول تكوين موحد، البندول من النقطه الوسطى من العمود 2 هو L، رمح دوران 2 لمسافة محورية من المحور رمح هو ص، وزاوية دوران الذراع الدورية في وقت معين في المستوى الأفقي هو؟ بموجب هذا البندول تدور رافعة في زاوية عمودية الطائرة؟ قطع، وزاوية دوران الذراع البندول التخلص منها في اتجاه عكس عقارب الساعة إيجابية . الذي الإجهاد التحليل هو مبين في الشكل 2.

وذراع الدورية مع حركة البندول، مركز البندول من كتلة السينية، عنصر السرعة ص الاتجاه هي كما يلي:

ويتكون مجموع الحركي نظام الطاقة T من أربعة أجزاء: الذراع التناوب الطاقة الحركية في مستوى أفقي، والطاقة دوران الطائرة العمودية البندول، والطاقة الحركية للمركز البندول الكتلة في المحور x و y محور الاتجاه. حيث يتم الحصول على وظيفة لاغرانج:

معادلة لاجرانج: حيث، ف هو نظام معمم تنسيق، T هو مجموع الطاقة الحركية للنظام، V هو الطاقة الكامنة للنظام، L هو اغرانج. وأعرب عن معادلة لاجرانج على النحو التالي:

مقلوب نظام البندول، ط = 1،2، ف = (؟،؟ بموجب هذه الوثيقة قص)،؟ إزاحة زاوية بموجب هذا الذراع،؟ قص إزاحة زاوية البندول، وقوة نظام تشى الخارجي على طول اتجاه الإحداثيات المعممة، لإعطاء المعادلات التالية:

لذا، يجب الحصول الخطية معادلة الدولة:

المعلمات في الجدول 1، عندما تناوب على مقربة البندول المقلوب على التوازن، وخطي نموذج رياضي الحصول على النحو التالي:

2 نظام التحكم في تصميم الدوائر الأجهزة

رسم بياني العام لنظام التحكم 2.1

ويتكون نظام التحكم بشكل رئيسي من النظام رقاقة واحدة، وحدة القيادة، وDC السيارات والعتاد، جهاز استشعار زاوية، LCD حدات شاشات الكريستال السائل ومكونات أخرى. جمع بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي زاوية متحكم التي تم الحصول عليها من خلال تحليل الوضع الحالي للبندول، للسيطرة على دوران المحرك، وبالتالي تغيير حالة البندول، وذلك لتحقيق الغرض المقصود تسيطر عليها كمية تحكم محسوب منها. عموما كتلة نظام الرسم البياني هو مبين في الشكل (3).

2.2 التحكم مخطط الرسم البياني نظام

FIG 4 هو جهاز استشعار ونظام التحكم في القيادة التخطيطي. من أجل ضمان ودقة التحكم في السرعة، مع زيادة 51 MCU STC12C5A60S2 مثل السيطرة؛ وحدة محرك السيارات باستخدام L298N المرتفع الحالي رقاقة سائق السيارات، بواسطة جهاز التحكم افتتاح خط افتتاح جزء متحكم P2، الاستشعار زاوية باستخدام MPU6050 ستة محور مكون معالجة حركة، يمكن أن يتم الكشف عن قيمة زاوية البندول في الاتجاه الرأسي، والسيطرة على خط جزء ميناء P1، يتم توصيل دبوس المقاطعة إلى دبوس المقاطعة الخارجية 0. يشمل المزيد من دائرة LCD12864 مزيد من عرض الدوائر والدوائر الرئيسية للتفاعل مع الكمبيوتر وعرض الوضع الراهن.

3 سيطرة تصميم برامج النظام

3.1 تدفق تخصيص وبرنامج موارد

وتتمثل المهمة الرئيسية لنظام الرقابة تشمل ما يلي: الحصول على البيانات وتجهيز زاوية، والسيطرة على محرك السيارات، وقراءة مدخلا رئيسيا البيانات ومثل. حيث البيانات المهمة غير الطارئة، لاستكمال الدعوة التي وجهها حلقة البرنامج الرئيسية؛ الحصول على البيانات زاوية وتجهيزها، محرك السيارات ومراقبة المهام متماسكة عالية في الوقت الحقيقي، في حالات الطوارئ الدوري، ينبغي للT0 الموقت جنبا إلى جنب مع الانتهاء من روتين خدمة المقاطعة؛ رئيسية مهمة إدخال القراءة ينتمي الطوارئ عشوائي، وينبغي أن يتم المقاطعة الخارجية 0 روتين.

T0 الموقت المقاطعة خدمة الرسم البياني الروتيني هو مبين في الشكل (5)، وذلك أساسا ينفذ قراءة بيانات الاستشعار، مرشح كالمان، PID مهام التنظيم، من أجل تجاوز تجنب من برنامج المقاطعة، يجب أن يكون وقت التنفيذ أقل من ثلاث مهام هذا MS 5، وبالتالي فإن متحكم تحديد 24 ميغاهيرتز تردد الكريستال الخارجي من أجل تلبية متطلبات السرعة.

3.2 سيطرة تنظيم خوارزمية

PID منظم في نسبة إلى الانحراف، لا يتجزأ، ومراقبة التفاضلية من حلقة مغلقة سيطرة تعديل كتلة الرسم البياني هو مبين في الشكل (6)، حيث ص (ر) هو المضبوطة مسبقا النظام، ج (ر) هو الناتج الفعلي، ش (ر ) لإخراج كمية السيطرة. قد تكون أدخلت PID تنظيم خوارزمية لضمان نظام دولة مراقبة الدارة المغلقة، ويسمح الروافد نظام التوازن بسرعة وبدقة تعيين .

يستخدم النظام كمية صغيرة من حساب تدريجية خوارزمية PID، وك-1 للحصول على وقت الإخراج منفصلة التناظرية PID:

حيث، T هي المرة أخذ العينات. نظام متحكم مع ثابت أخذ العينات فترة T، على تحديد A، B، C، قبل وبعد استخدام قيمة تعويض من 3 القياسات، ومقدار السيطرة ويمكن الحصول على.

3.3 المضادة للتشويش تصميم

لأن البيانات التي جمعتها إشارة الاستشعار زاوية تحتوي على الضوضاء، ومعظمهم من الضوضاء والتداخل الكهرومغناطيسي من خارج زاوية الاستشعار نفسها. كالمان تصفية الخوارزمية في نظام البرمجيات تصفية الضوضاء. مجموعة معدل أخذ العينات 200 هرتز، وإرسالها إلى زاوية البندول التحول من عملية جمع البيانات بأكملها، وتباين الصورة قبل وبعد مرشح كالمان كما هو مبين في الشكل، والتي تبين شنقا البندول من الحالة الطبيعية من خلال عملية بداية بالكامل مقلوب 7. البندول الطبيعي الوقت تدلى حالة توازن ثابتة ، زاوية الاتجاه الرأسي (كما هو موضح في الشكل. 7 (ب) 2 شرائح) 0 درجة. الحصول على البندول بالمواتير في بعض يتذبذب الطاقة ذهابا وإيابا (في FIG 7 (ب) في الشكل 3)، تصل الطاقة إلى مستوى معين على البندول مقلوب 180 درجة، وبعد بضع التذبذبات الصغيرة قصيرة (FIG 7 (ب) 4 أدناه)، للوصول إلى توازن جديد (FIG 7 (ب) 5 معروضة)، لتحقيق البندول المقلوب. وقف التحكم في المحركات، البندول العودة إلى حالة التوازن الأصلي، وعلى مقربة من 0 درجة إلى طريق مسدود بعد بضع التذبذبات مجانية (FIG 7 (ب) هو مبين في الشكل 6). منذ كالمان مرشح أخطاء كبيرة مرة الأولى، الذين ينتمون إلى النقطة العمياء (FIG 7 (ب) في الشكل 1)، يجب أن يكون برنامج البرمجة بضع ثوان تأخير إلى البقع العمياء تجنب.

3.4 شفرة المصدر البرنامج الرئيسي

T0 الموقت المقاطعة روتين الكود الظاهر أمامك :

باطلا Timer0 المقاطعة 1 باستخدام 1

{

TH0 = (65536-2500) / 256.

TL0 = (65536-2500) 256؛ // تحديث القيمة الأولية

ReadMpu6050؛ // بيانات الاستشعار قراءة

مرشح // كالمان، مرشح كالمان

إذا (DelayCounter == 2000) // العد تقرير

{Motor0 = PIDControl؛ // السيطرة منظم PID

DispBuffUpdata؛} // تحديث المخزن المؤقت العرض

آخر DelayCounter ++؛

}

4 نتائج اختبار وخاتمة

يبين الجدول 2 نتائج عملية وضع البديل الجدول القياس. تعيين أزرار وضع البديل، واختيار البيانات بين زاوية التأرجح بين 45 ~ 180 درجة، والبندول قد تأرجح في محرك الأقراص الترددية، وزاوية التأرجح قريبا تصل إلى أكثر من -60 ~ + 60 درجة. عندما زاوية قريبة البندول إلى 180 درجة، من قبل منظم PID، يتم الحفاظ على الدولة البندول مستقرة جدا مقلوب بسرعة مع مرور الوقت 5 ثوان. من خلال سلسلة من التجارب، ويمكن الانتهاء من دوار مقلوب البديل البندول في أي زاوية، ويمكن تحقيق سريع مقلوب، ونظام يمكن أن تلبي متطلبات التصميم.

مراجع

دراسة ومنتظم، Liudong ليانغ، واحدة مشبعة الخطية البندول المقلوب طريقة Baojun .X-Z السيطرة الاستقرار AUTOMATICA سينيكا، 2013،39 (1): 92-96.

جاو جيان وى يي، Xiashi كونغ، وآخرون. توليف وبناء الحركة الإنسان في الدرجة الثانية مقلوب البندول مجلة الكمبيوتر، 2014،37 (10): 2188-2195.

الأسابيع كون، Sunming وى، Zengqiang التنبؤ صريح السريع في نظام التحكم في البندول المقلوب مجلة من صك العلمي، 2014،35 (9): 2037-2044.

لى شيويه بينغ، ماري، أقرع شيهونج. صنف جديد من الدرجة الثانية انزلاق مراقبة الوضع وتطبيقاتها في السيطرة البندول المقلوب AUTOMATICA سينيكا، 2015،41 (1): 194-202.

وو ايجو، شياو مينغ، تشانغ تشاو مرحلة واحدة النمذجة دوارة لاغرانج المعادلة على أساس السيطرة البندول المقلوب الصين العلوم الهندسية، 2005،7 (10): 11-15.

نانتونغ غوكسين .STC12C5A60S2 + MCU دليل .http: //www.stcmcu.com.

CAO مين، Xuling هوا التطبيق. خوارزمية واحدة العصبية PID في نظام البندول المقلوب . معلومات الدقيقة، 2009،25 (1-1): 70-71.

YangZhi، وتشوهاى فنغ هوانغ هوا .PID تصميم وحدة تحكم المعلمة طرق ضبط . أتمتة الكيميائية والأجهزة، 2005،32 (5): 1-7.

وانغ شو يان شي يو فنغ Zhongxu. تحكم استنادا تحكم PID ضبابي العلوم الميكانيكية والتكنولوجيا، 2011،30 (1): 166-172.

تشن ألوهين، يان لى تشون. تطبيق الرقابة على التكيف و شيان: جامعة نورث وسترن الصحافة، 1998.

يشين أنظمة غامض والسيطرة غامض تعليمي بكين: مطبعة جامعة تسينغهوا، 2003.

الطباعة FU منغ، Dengzhi كونغ، لى يان بينغ .Kalman مرشح النظرية والتطبيق في نظام الملاحة (الطبعة الثانية) بكين: دار العلوم، 2010.

داوم F.Nonlinear بتصفية ما وراء مرشح كالمان .IEEE A & E أنظمة مجلة، 2005،20 (8): 57-69.

KIM J، VADDI S S، P MENON K، وآخرون al.Comparison بين تقنيات الترشيح غير الخطية forspiraling تقدير الدولة الصواريخ البالستية المعاملات .IEEE في الفضاء وأنظمة كهربائي-ترونيك، 2012،48 (1): 313-328.

كالمان R E.A نهج جديد لمشاكل تصفية والتنبؤ الخطي .Transactions من AMSE مجلة الهندسة الأساسية، 1960،82: 35-45.

Hemopurification .C لغة البرمجة (الطبعة الثالثة) بكين: مطبعة جامعة تسينغهوا، 2005.

مزايا العضوية في نهاية العام بعد التمديد!