王麗琴，劉九澤

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基于C8051F020的倒立擺虛擬樣機設(shè)計

王麗琴1，劉九澤2

（1. 渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城 125015；2. 北方聯(lián)合廣播電視網(wǎng)絡(luò)股份有限公司葫蘆島分公司，遼寧葫蘆島 125000）

為了降低倒立擺系統(tǒng)研究的復(fù)雜性，文中提出了一種基于C8051F020單片機的倒立擺虛擬樣機的設(shè)計方案。該方案以C8051F020單片機作為核心控制器，設(shè)計了具有通用性的輸入/輸出接口，同時結(jié)合上位機的MATLAB軟件與組態(tài)王軟件，實現(xiàn)了倒立擺模型的實時運算與運動狀態(tài)實時顯示。該虛擬樣機在倒立擺控制研究和教學(xué)實驗中具有重要的價值。

C8051F020 倒立擺 虛擬樣機 MATLAB 組態(tài)軟件

0 引言

倒立擺是一個高階次、多變量、非線性和強耦合的自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，不僅廣泛應(yīng)用于控制理論的研究，還有重要的工程應(yīng)用價值。倒立擺的穩(wěn)定控制可應(yīng)用在多種場合[1]，從在日常生活中所見到的各種重心在上、支點在下的控制問題到空間飛行器和各類伺服云臺的穩(wěn)定、半導(dǎo)體及精密儀器加工、機器人技術(shù)、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、航空器對接控制技術(shù)、機器人、雜技頂桿表演等領(lǐng)域，都與倒立擺的控制有很大的相似性。

對倒立擺的控制研究，大多數(shù)仿真都是從數(shù)學(xué)模型角度出發(fā)，進行了大量的假設(shè)，這些假設(shè)往往忽略了系統(tǒng)中很多重要的因素，使仿真結(jié)果不能夠體現(xiàn)真實現(xiàn)象，而利用虛擬樣機技術(shù)則可以克服上述缺陷，使倒立擺的控制研究更接近于實際情況[2]。

虛擬樣機技術(shù)利用實際的控制器與計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型，對系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性進行仿真分析并以圖形方式顯示[3]。本文介紹了一種倒立擺虛擬樣機的設(shè)計方案，方案采用C8051F020為核心設(shè)計通用的硬件平臺，并用MATLAB進行運動狀態(tài)的實時運算，結(jié)合組態(tài)軟件實時的顯示動畫結(jié)果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

倒立擺虛擬樣機采用硬件和軟件相結(jié)合的方式，系統(tǒng)的框圖如圖1所示?；谔摂M樣機技術(shù)的倒立擺系統(tǒng)的具有如下功能：

1）能夠接收來自各種常用控制器的控制信號，如PLC、板卡、專用控制器或單片機。

2）能夠運行控制對象算法，形成控制對象的響應(yīng)。

3）能將控制對象的響應(yīng)輸出，具有通信功能。

4）能夠根據(jù)控制對象的響應(yīng)形成動畫、表格和各種曲線。

5）被控對象的響應(yīng)能夠轉(zhuǎn)化為通用的傳感器的電壓或電流輸出信號。

圖1 虛擬倒立擺系統(tǒng)框圖

2 硬件平臺設(shè)計

硬件平臺應(yīng)用于控制器和虛擬負(fù)載。控制器接收虛擬負(fù)載輸出的傳感器信號，運行控制算法，輸出控制量，同時具有通訊功能，可對參數(shù)進行在線設(shè)置。虛擬負(fù)載端的硬件平臺主要用于接收控制器輸出的控制量輸出至倒立擺數(shù)學(xué)模型，同時接收上位機軟件運算輸出的倒立擺狀態(tài)量，將其轉(zhuǎn)換為4~20mA電流信號。

硬件平臺以Silabs公司的C8051F020單片機為核心，該款單片機是一款高性能的51內(nèi)核的單片機，內(nèi)部集成了AD、DA、PGA、模擬開關(guān)及5個通用的定時器[4,5]。硬件平臺的框圖如下所示。

圖2 虛擬倒立擺系統(tǒng)框圖

該硬件平臺主要包括：模擬量輸入/輸出接口電路、數(shù)字量輸入/輸出接口電路、通信接口及JATG口。

2.1 模擬信號輸入電路

模擬量輸入接口采用精密放大儀器OP07及其外圍電路構(gòu)成，實現(xiàn)信號變換、濾波、限幅、阻抗變換、放大、衰減等信號調(diào)理功能。如圖3所示為模擬量輸入接口框圖。

圖3 模擬量輸入接口框圖

對于控制器，輸入的模擬信號為4~20 mA的傳感器信號。而對于虛擬負(fù)載端來說，輸入的是控制輸出的模擬控制量，該控制量為電壓信號。為了兼容電壓和電流的輸入，在信號的輸入端通過一跳線帽對地接一電阻。當(dāng)輸入電流信號時，跳線帽短接，電流在電阻上轉(zhuǎn)化成電壓信號；當(dāng)輸入電壓信號時跳線帽斷開，電壓直接輸入。阻容電路構(gòu)成二階低通濾波器，用于濾除工業(yè)現(xiàn)場中的高頻信號。

信號經(jīng)過兩級運放的處理后輸入到處理器的ADC，ADC的參考電壓選2.4 V，因此信號輸入的范圍在0~2.4 V之間。

2.2 模擬信號輸出電路

在控制器端輸出的模擬信號為電壓信號，而在虛擬負(fù)載端輸出的模擬信號為4~20 mA的傳感器電流信號。模擬量輸出接口框圖如圖4所示。

圖4 模擬量輸出接口框圖

電路即可輸出電壓又能輸出電流信號。對運放外部的電阻選取合適的阻值，使得輸出電壓為0~10 V，電流為4~20 mA。

2.3 數(shù)字信號輸入電路

數(shù)字量輸入接口電路如圖5所示。

圖5 數(shù)字量輸入接口電路

此電路的優(yōu)點有：1）可提高系統(tǒng)的安全性。2）不向信號源索取能量，而由15 V的電壓通過R1提供。

對于數(shù)字信號輸出接口，采用外部接達林頓管ULN2003，增加輸出的驅(qū)動能力。

3 上位機軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)概述

上位機軟件主要實現(xiàn)倒立擺數(shù)學(xué)模型的運算，以及倒立擺動畫界面的顯示和狀態(tài)變量的曲線繪制，并可與硬件進行通信，向控制器發(fā)送命令，將倒立擺的參數(shù)傳給實際的硬件負(fù)載系統(tǒng)。

整個上位機軟件由2部分組成，各部分所用的軟件平臺和實現(xiàn)的功能詳見表1所示。

表1 上位機各部分功能表

MATLAB通過串口接收虛擬負(fù)載傳過來的控制量，進行倒立擺數(shù)學(xué)模型的運算，輸出實時的運動狀態(tài)參數(shù)。同時在MATLAB上設(shè)計參數(shù)顯示和設(shè)置界面，方便地設(shè)置控制參數(shù)。

動畫界面由組態(tài)王（KingView）軟件完成，可以快速的生成復(fù)雜、友好的交互式人機界面[6]。

MATLAB與組態(tài)軟件之間通過DDE進行數(shù)據(jù)的交互。DDE通信軟件的設(shè)計是在MATLAB中利用M文件來實現(xiàn)，MATLAB中已封裝了有關(guān)DDE運算的函數(shù)[7]。組態(tài)王軟件能通過DDE與其他的應(yīng)用程序相連，里面已封裝好各應(yīng)用函數(shù)，作為客戶程序來使用。只需在對話框設(shè)置中輸入服務(wù)器程序名及主題名，并將各個變量與服務(wù)器程序中的TEXT文本框項目相連即可[8]。

3.2 組態(tài)軟件設(shè)計

KingView提供了友好的人機交互界面，強大的通訊功能。在KingView基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，進行動畫界面設(shè)計，完成后在TOUCHVIEW下運行，可將倒立擺動態(tài)數(shù)據(jù)的變化以動畫的形式顯示，同時完成歷史記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能[9]。

經(jīng)過在KingView上進行二次開發(fā)后形成的動畫界面如圖6所示。

圖中的小車和擺桿能夠根據(jù)倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)變量的變化而運動，能夠真實的反應(yīng)整個控制過程，并且可以實時的顯示動態(tài)數(shù)據(jù)的值。

4 結(jié)論

倒立擺虛擬樣機平臺的設(shè)計，使得倒立擺的仿真系統(tǒng)趨于現(xiàn)實，使系統(tǒng)具有可視化、通用性，滿足復(fù)雜的倒立擺控制仿真試驗要求。倒立擺虛擬樣機系統(tǒng)在實際的仿真驗證、控制理論研究及教學(xué)實驗中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 倒立擺動樣機系統(tǒng)界面

[1] 孟巧榮. 倒立擺虛擬樣機及控制研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2004.

[2] 梁延德, 劉海龍．基于虛擬樣機技術(shù)的倒立擺仿真研究[J]．機床與液壓, 2007，35(7): 26-28．

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[9] 王成剛, 晏芙蓉, 曲令帥. 基于組態(tài)王軟件的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J]. 2017, 38(5): 28-30.

Design of Virtual Inverted Pendulum System Based on C8051F020 Single Chip

Wang Liqin1, Liu Jiuze2

(1. Bohai Shipbuilding Vocational College, Xingcheng 125105, Liaoning, China; 2. Northern United Broadcasting Television Network Corporation, Huludao125000, Liaoning, China)

TP391.6

A

1003-4862（2018）06-0062-03

2018-02-05

王麗琴（1982-），女，碩士研究生，講師。研究方向：電氣自動化。Email: wangliqin2006@163.com