平衡车机电控制系统建模与仿真

摘要:构建平衡车机电控制系统,研究机电控制系统的建模与仿真设计方法.在建立系统结构模型的基础上,应用拉格朗日(Lagrange)方法建立系统动力学方程和数学模型;在LabVIEW及其控制与仿真工具包开发环境下,依据系统的数学模型,设计状态反馈控制器.当施加0.22rad扰动时,平衡车位置、速度、倾斜角度、角速度都在3.5s左右回到了平衡状态,这表明,系统建立的模型是合理可靠的,所设计的状态反馈控制器得到了较好的控制效果。

引言：

平衡车是动力学理论和自动控制理论与技术相结合的研究项目,平衡车控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统,平衡车的控制就是使平衡车尽快地达到一个平衡位置,并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度;当平衡车到达期望的位置后,系统能克服随机扰动而保持稳定的位置[1-2].在此通过对平衡车机电系统的力学分析,建立数学模型,推导出系统的状态方程.在极点配置的基础上,利用状态反馈算法对系统进行控制.

通过LabVIEW及其控制与仿真工具包进行仿真设计,根据仿真曲线进行分析,检验控制算法的控制效果.通过对平衡车机电控制系统的数学建模研究,为实验样机提供合理可靠的参考数据;通过仿真设计,可缩短样机开发时间,提高开发效率。

行和定半径转弯.

平衡车硬件部分主要为机械系统和控制系统.机械系统包括车轮、车身上支架、下平台和连杆等,负责承载硬件电路,搭建工作平台;控制系统包括直流电机、驱动器、姿态传感器、电池和控制器等.1.2 系统工作原理

平衡车基本工作原理如图2所示.2个直流电动机安装在车体平台下面,通过减速器分别驱动左右车轮运动.采用微硅陀螺仪和倾角传感器组合构成姿态监测传感器,检测车体平台运行姿态.其中微硅陀螺仪检测平台绕转动轮轴转动的角速率,倾角传感器检测相对于水平面的倾斜角.采用可编程逻辑器件对电动机编码器产生的脉冲量进行计数,从而检测出车体平台的位移和速度.据姿态监测传感器和位置传感器检测到的平台运行姿态信号,通过一定的控制算法计算出控制电压信号,再经D/A转换及驱动器放大后驱动电动机运转,调整车体平台运行姿态,从而使车体平台始终保持平衡状态。

本实用新型专利技术公开了一种多种信号源配置系统，包括单片机中心控制器、与单片机中心控制器信号连接的CPLD模块和网络IC模块，所述CPLD模块与DMX通信模块连接，所述网络IC模块与网络通信模块和/或光纤通信模块连接。与现有技术相比，本实用新型专利技术具有的有益效果为：同时实现了DMX通信、网络通信以及光纤通信，完成多种信号源传输，有效地克服了在特殊场合控制信号源的选择局限性，通信设备距离远，信号衰减大，避免了通信过程中不可靠传输，提高了通信的畅通性、可靠性。