基于ARM的二级倒立摆控制的研究

论文摘要

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。

论文目录

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