基于ARM的二级倒立摆控制的研究

【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。