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基于ARM的二级倒立摆控制的研究

作　者: 熊新
导　师: 王晓东
学　校: 昆明理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 倒立摆 S3C44BOX 嵌入式 ARM
分类号: TP13
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


倒立摆问题是非线性动态系统控制中的一个经典问题,倒立摆系统是一种非线性、多变量和绝对不稳定的系统。在近代机械控制系统中,存在着很多类似于倒立摆的稳定控制问题,因而,对倒立摆系统稳定控制的研究有着非常重要的意义。在对倒立摆控制算法进行优化的同时,对倒立摆系统控制器硬件的更新也变得尤为重要。本文阐述了利用S3C44BOX为核心的嵌入式开发板作为控制器的硬件平台,设计了倒立摆系统控制器反馈信号的输入接口电路、控制器的输出接口电路,实现了与二级倒立摆模型的连接。首先结合IIC总线,使用PCA9555和PCA9554芯片设计了I／O端口的扩展,并完成相应驱动程序的编写；设计了通过PWM的输出信号对步进电机进行控制的电路及驱动程序,从而完成倒立摆系统的底层平台的设计。其次,通过对二级倒立摆力学特性的分析,建立了二级倒立摆的数学模型。利用MATLAB软件计算出LQR的反馈矩阵K,并对倒立摆模型进行了仿真控制结果分析。最后分析倒立摆控制系统的硬件架构,并在此基础上编写了对倒立摆模型控制的程序。在对倒立摆模型的控制中,ARM以其很强的实时性和稳定性,为倒立摆的控制器提供了一个高效稳定的平台。而经过粒群优化的LQR算法,也取得了很好的控制效果。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-9
第一章 绪论  9-13
  1.1 课题的背景与意义  9
  1.2 倒立摆系统国内外研究状况  9-11
    1.2.1 国外研究状况  9-10
    1.2.2 国内研究状况  10-11
  1.3 本论文的组织  11-12
  1.4 小结  12-13
第二章 嵌入式操作系统μCLinux的移植  13-25
  2.1 ARM7微处理器的简介  13-15
    2.1.1 ARM7TDMI的组织结构  13-14
    2.1.2 ARM7的3级流水线  14-15
  2.2 S3C44BOX的硬件平台  15
  2.3 嵌入式操作系统μCLinux  15-17
    2.3.1 μCLinux操作系统的架构  16
    2.3.2 最小μCLinux系统  16-17
  2.4 μCLinux的裁剪与配置  17-22
    2.4.1 μCLinux的源文件结构  17-18
    2.4.2 μCLinux内核的裁剪  18-19
    2.4.3 μCLinux的相关配置修改  19-22
  2.5 移植μCLinux嵌入式操作系统  22-24
    2.5.1 JTAG仿真器  23
    2.5.2 编译和移植μCLinux  23-24
  2.6 小结  24-25
第三章 接口电路的设计及驱动程序的编写  25-45
  3.1 倒立摆系统的控制接口  25-26
  3.2 基于IIC总线的I/O端口的硬件扩展  26-32
    3.2.1 IIC总线接口的介绍  26-29
    3.2.2 PCA9555与PCA9554的介绍  29-30
    3.2.3 PCA9555芯片的操作过程  30-31
    3.2.4 I/O端口扩展的设计  31-32
  3.3 基于IIC接口的驱动程序的编写  32-37
    3.3.1 IIC总线接口的专用寄存器  32-34
    3.3.2 中断管理  34-35
    3.3.3 驱动程序的设计  35-37
  3.4 PWM接口的硬件电路的设计  37-44
    3.4.1 PWM的介绍  37-39
    3.4.2 L298芯片  39-40
    3.4.3 输出电路接口的硬件设计  40-41
    3.4.4 PWM的驱动程序的设计  41-44
  3.5 小结  44-45
第四章 倒立摆系统的控制  45-65
  4.1 倒立摆控制系统的概述  45-46
  4.2 倒立摆的控制与测量  46-47
    4.2.1 步进电机的控制  46-47
    4.2.2 位置传感器  47
    4.2.3 角度传感器  47
  4.3 倒立摆数学模型的建立  47-52
    4.3.1 系统的结构  48
    4.3.2 参数符号  48
    4.3.3 二级倒立摆数学模型的推导  48-52
  4.4 LQR算法  52-54
    4.4.1 LQR算法的原理  52-53
    4.4.2 Q、R阵的选择  53-54
  4.5 粒群优化LQR算法  54-58
    4.5.1 粒群算法原理介绍  54-55
    4.5.2 粒群算法分析  55-56
    4.5.3 粒群算法的比较  56-57
    4.5.4 优化Q、R矩阵的过程  57-58
  4.6 二级倒立摆模型的控制仿真  58-64
    4.6.1 反馈增益矩阵K的运算  59
    4.6.2 二级倒立摆的仿真过程及结果  59-62
    4.6.3 结果分析  62-64
  4.7 倒立摆控制系统的软件系统  64
  4.8 小结  64-65
第五章 结论  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-71
附录A 论文发表情况  71-72
附录B IIC总线扩展I/O端口电路图  72

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化基础理论 > 自动控制理论
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