基于C8051F020的倒立摆虚拟样机设计

王丽琴，刘九泽



基于C8051F020的倒立摆虚拟样机设计

王丽琴1，刘九泽2

（1. 渤海船舶职业学院，辽宁兴城 125015；2. 北方联合广播电视网络股份有限公司葫芦岛分公司，辽宁葫芦岛 125000）

为了降低倒立摆系统研究的复杂性，文中提出了一种基于C8051F020单片机的倒立摆虚拟样机的设计方案。该方案以C8051F020单片机作为核心控制器，设计了具有通用性的输入/输出接口，同时结合上位机的MATLAB软件与组态王软件，实现了倒立摆模型的实时运算与运动状态实时显示。该虚拟样机在倒立摆控制研究和教学实验中具有重要的价值。

C8051F020 倒立摆 虚拟样机 MATLAB 组态软件

0 引言

倒立摆是一个高阶次、多变量、非线性和强耦合的自然不稳定系统，不仅广泛应用于控制理论的研究，还有重要的工程应用价值。倒立摆的稳定控制可应用在多种场合[1]，从在日常生活中所见到的各种重心在上、支点在下的控制问题到空间飞行器和各类伺服云台的稳定、半导体及精密仪器加工、机器人技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术、机器人、杂技顶杆表演等领域，都与倒立摆的控制有很大的相似性。

对倒立摆的控制研究，大多数仿真都是从数学模型角度出发，进行了大量的假设，这些假设往往忽略了系统中很多重要的因素，使仿真结果不能够体现真实现象，而利用虚拟样机技术则可以克服上述缺陷，使倒立摆的控制研究更接近于实际情况[2]。

虚拟样机技术利用实际的控制器与计算机技术建立机械系统的数字化模型，对系统在真实工程条件下的各种特性进行仿真分析并以图形方式显示[3]。本文介绍了一种倒立摆虚拟样机的设计方案，方案采用C8051F020为核心设计通用的硬件平台，并用MATLAB进行运动状态的实时运算，结合组态软件实时的显示动画结果。

1 系统结构

倒立摆虚拟样机采用硬件和软件相结合的方式，系统的框图如图1所示。基于虚拟样机技术的倒立摆系统的具有如下功能：

1）能够接收来自各种常用控制器的控制信号，如PLC、板卡、专用控制器或单片机。

2）能够运行控制对象算法，形成控制对象的响应。

3）能将控制对象的响应输出，具有通信功能。

4）能够根据控制对象的响应形成动画、表格和各种曲线。

5）被控对象的响应能够转化为通用的传感器的电压或电流输出信号。

图1 虚拟倒立摆系统框图

2 硬件平台设计

硬件平台应用于控制器和虚拟负载。控制器接收虚拟负载输出的传感器信号，运行控制算法，输出控制量，同时具有通讯功能，可对参数进行在线设置。虚拟负载端的硬件平台主要用于接收控制器输出的控制量输出至倒立摆数学模型，同时接收上位机软件运算输出的倒立摆状态量，将其转换为4~20mA电流信号。

硬件平台以Silabs公司的C8051F020单片机为核心，该款单片机是一款高性能的51内核的单片机，内部集成了AD、DA、PGA、模拟开关及5个通用的定时器[4,5]。硬件平台的框图如下所示。

图2 虚拟倒立摆系统框图

该硬件平台主要包括：模拟量输入/输出接口电路、数字量输入/输出接口电路、通信接口及JATG口。

2.1 模拟信号输入电路

模拟量输入接口采用精密放大仪器OP07及其外围电路构成，实现信号变换、滤波、限幅、阻抗变换、放大、衰减等信号调理功能。如图3所示为模拟量输入接口框图。

图3 模拟量输入接口框图

对于控制器，输入的模拟信号为4~20 mA的传感器信号。而对于虚拟负载端来说，输入的是控制输出的模拟控制量，该控制量为电压信号。为了兼容电压和电流的输入，在信号的输入端通过一跳线帽对地接一电阻。当输入电流信号时，跳线帽短接，电流在电阻上转化成电压信号；当输入电压信号时跳线帽断开，电压直接输入。阻容电路构成二阶低通滤波器，用于滤除工业现场中的高频信号。

信号经过两级运放的处理后输入到处理器的ADC，ADC的参考电压选2.4 V，因此信号输入的范围在0~2.4 V之间。

2.2 模拟信号输出电路

在控制器端输出的模拟信号为电压信号，而在虚拟负载端输出的模拟信号为4~20 mA的传感器电流信号。模拟量输出接口框图如图4所示。

图4 模拟量输出接口框图

电路即可输出电压又能输出电流信号。对运放外部的电阻选取合适的阻值，使得输出电压为0~10 V，电流为4~20 mA。

2.3 数字信号输入电路

数字量输入接口电路如图5所示。

图5 数字量输入接口电路

此电路的优点有：1）可提高系统的安全性。2）不向信号源索取能量，而由15 V的电压通过R1提供。

对于数字信号输出接口，采用外部接达林顿管ULN2003，增加输出的驱动能力。

3 上位机软件设计

3.1 系统概述

上位机软件主要实现倒立摆数学模型的运算，以及倒立摆动画界面的显示和状态变量的曲线绘制，并可与硬件进行通信，向控制器发送命令，将倒立摆的参数传给实际的硬件负载系统。

整个上位机软件由2部分组成，各部分所用的软件平台和实现的功能详见表1所示。

表1 上位机各部分功能表

MATLAB通过串口接收虚拟负载传过来的控制量，进行倒立摆数学模型的运算，输出实时的运动状态参数。同时在MATLAB上设计参数显示和设置界面，方便地设置控制参数。

动画界面由组态王（KingView）软件完成，可以快速的生成复杂、友好的交互式人机界面[6]。

MATLAB与组态软件之间通过DDE进行数据的交互。DDE通信软件的设计是在MATLAB中利用M文件来实现，MATLAB中已封装了有关DDE运算的函数[7]。组态王软件能通过DDE与其他的应用程序相连，里面已封装好各应用函数，作为客户程序来使用。只需在对话框设置中输入服务器程序名及主题名，并将各个变量与服务器程序中的TEXT文本框项目相连即可[8]。

3.2 组态软件设计

KingView提供了友好的人机交互界面，强大的通讯功能。在KingView基础上进行二次开发，进行动画界面设计，完成后在TOUCHVIEW下运行，可将倒立摆动态数据的变化以动画的形式显示，同时完成历史记录、趋势曲线等监视功能[9]。

经过在KingView上进行二次开发后形成的动画界面如图6所示。

图中的小车和摆杆能够根据倒立摆系统的状态变量的变化而运动，能够真实的反应整个控制过程，并且可以实时的显示动态数据的值。

4 结论

倒立摆虚拟样机平台的设计，使得倒立摆的仿真系统趋于现实，使系统具有可视化、通用性，满足复杂的倒立摆控制仿真试验要求。倒立摆虚拟样机系统在实际的仿真验证、控制理论研究及教学实验中具有广阔的应用前景。

图6 倒立摆动样机系统界面

[1] 孟巧荣. 倒立摆虚拟样机及控制研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2004.

[2] 梁延德, 刘海龙．基于虚拟样机技术的倒立摆仿真研究[J]．机床与液压, 2007，35(7): 26-28．

[3] 赵阶晨, 潘燕梅, 胡伟.虚拟现实技术在机械工程实验中的应用[J].数字技术与应用, 2017: 68-70.

[4] 余洪锋, 张欢, 丁永前, 窦祥林, 李俊龙, 孟为国, 何瑞银. 基于通用控制器和Matlab的倒立摆实验平台的构建[J]. 高等实验室工作研究, 2017: 69-73.

[5] 周志梁, 杨本全, 陈钊, 郁吉丽．基于C8051F020的智能理疗仪系统设计[J]．电子设计工程, 2017,25（20）: 165-168．

[6] 刘晓雯. 基于组态王与MATLAB的地下水位监测系统设计[D]. 山东曲阜: 曲阜师范大学, 2014.

[7] 王燕, 蒋珍, 张谦. DDE技术在过程控制实验装置中的应用研究[J]. 中原工学院学报, 2013, 24(4): 76-79.

[8] 施倩楠, 陈永良, 李海航, 陈曦曦. 基于组态王的电梯系统集成设计[J]. 2017, 38(6): 100-102.

[9] 王成刚, 晏芙蓉, 曲令帅. 基于组态王软件的温度数据采集系统的设计与研究[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

王丽琴（1982-），女，硕士研究生，讲师。研究方向：电气自动化。Email: wangliqin2006@163.com