【2013年全国大学生电子设计大赛论文（简易旋转倒立摆及控制装置(C）】本论文围绕“简易旋转倒立摆及控制装置”这一课题，针对倒立摆系统的稳定性控制问题展开研究。设计并实现了一个基于单片机的控制平台，通过PID算法对旋转倒立摆进行姿态调节与稳定控制。系统采用传感器采集角度信息，结合控制算法实时调整电机输出，使倒立摆能够在水平面内保持平衡。实验结果表明，该系统具备良好的动态响应和稳定性，能够有效完成倒立摆的控制任务。

关键词： 倒立摆；PID控制；单片机；角度检测；稳定控制

一、引言

倒立摆系统是经典控制理论中的一个典型非线性、不稳定系统，广泛应用于自动控制、机器人学、航空航天等领域。其控制原理复杂，具有高度的工程实践价值。在本次全国大学生电子设计大赛中，我们选择“简易旋转倒立摆及控制装置”作为参赛项目，旨在通过实际搭建与调试，掌握倒立摆系统的建模、仿真与控制方法。

本系统主要由机械结构、传感模块、控制模块和执行机构组成，通过合理的硬件设计与软件算法实现对倒立摆的稳定控制。

二、系统总体设计

本系统采用模块化设计理念，分为以下几个部分：

1. 机械结构设计

采用轻质材料制作旋转倒立摆支架，确保系统整体重量轻、惯性小。摆杆采用铝合金管材，两端安装旋转轴承，保证转动灵活。底部安装直流电机作为驱动装置，通过齿轮传动带动摆杆旋转。

2. 传感模块

使用MPU6050六轴陀螺仪传感器采集摆杆的角度信息。该传感器可同时测量角速度和加速度，精度较高，适用于本系统的需求。

3. 控制模块

采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，负责数据处理、算法计算和电机控制。通过串口通信将传感器数据传送到主控单元，经PID算法计算后输出控制信号。

4. 执行机构

使用直流减速电机配合PWM调速技术，实现对摆杆旋转速度的精确控制。电机通过减速齿轮组与摆杆连接，提高扭矩输出能力。

三、系统工作原理

1. 角度采集

MPU6050传感器实时采集摆杆的倾斜角度和角速度，并通过I2C接口将数据传输至单片机。

2. 数据处理与控制算法

单片机对采集到的数据进行滤波处理，提取出摆杆的当前角度值。根据设定的目标角度，利用PID算法计算出所需的控制量。

3. 电机控制

根据PID计算结果，单片机通过PWM信号控制电机的转速和方向，从而调整摆杆的位置，使其趋于平衡状态。

4. 反馈调节

系统持续监测摆杆状态，不断进行角度修正，形成闭环控制，提高系统的稳定性和响应速度。

四、系统调试与测试

在系统搭建完成后，进行了多组实验测试，包括：

- 静态测试：验证传感器是否能准确测得摆杆初始角度。

- 动态测试：观察系统在不同输入条件下的响应情况。

- 稳定性测试：测试系统在受到外界干扰后的恢复能力。

实验结果显示，系统在无外部扰动情况下能够较好地保持平衡；在轻微扰动下，系统能在较短时间内恢复稳定状态，表现出较好的控制性能。

五、结论

本系统成功实现了对简易旋转倒立摆的稳定控制，达到了预期的设计目标。通过合理选择硬件组件和优化控制算法，提高了系统的响应速度和稳定性。该项目不仅加深了我们对控制理论的理解，也提升了我们的动手能力和团队协作能力。

未来可以进一步优化控制算法，引入自适应控制或模糊控制等方法，以提升系统的鲁棒性和适用范围。

参考文献：

[1] 张毅刚. 单片机原理及应用. 北京: 电子工业出版社, 2011.

[2] 李华. 自动控制原理. 北京: 高等教育出版社, 2007.

[3] 胡寿松. 自动控制原理. 北京: 科学出版社, 2013.

附录：

- 系统电路图

- 程序代码片段

- 实验数据记录表

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如需进一步了解具体设计细节或程序代码，请联系作者。