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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃聖財
研究生(外文):Sheng-Tsai Huang
論文名稱:以數位訊號處理器為基礎之球與桿系統平衡控制
論文名稱(外文):Balance Control of DSP-Based for Ball and Beam System
指導教授:何明字
指導教授(外文):Ming-Tzu Ho
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系碩博士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:數位訊號處理器倒階控制
外文關鍵詞:DSPbackstepping control
相關次數:
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  於本論文中,吾人製作了一套以數位訊號處理器DSP (Digital Signal Processor)為基礎之球與桿系統,整個系統主要分為機械結構、馬達致動器、感測器和控制器部份。機械結構包括機台、鐵桿、鋼球及齒輪組;馬達是採用電樞控制直流馬達(armature controlled DC motor)來做系統致動器;感測器部份有位置及角度感測器,位置是採用接觸式鎳鉻合金電阻線(nichrome resistance)來做感測器,角度是以光學式編碼器(photo encoder)來做感測器。控制器部份是以德州儀器(Texas Instruments, TI)之浮點式(floating-point)數位訊號處理器TMS320VC33為控制核心,並與吾人自行設計的週邊介面互相配合完成。
  球與桿系統是一個高度非線性系統,由於系統存在有離心力項,所以相對階數(relative degree)沒有被適當的定義(not well defined),在控制上造成相當高的難度。本論文中,首先介紹如何建立此系統之機構,然後推導出系統之數學模型,再使用倒階(backstepping)控制方法來設計控制器,其為利用遞迴程序重複選用Lyapunov function來判斷穩定性的一種回授控制設計方法,能在限制條件下解決穩定性(stabilization)、追蹤(tracking)和強健(robust)控制上的問題。文中所得之倒階控制器,可以減小離心力項對系統的影響,且使系統達到全域漸進穩定(global asymptotic stability)。最後,吾人以數位訊號處理器為基礎,及利用C語言與組合語言撰寫控制器程式來實現整個控制系統,使球在桿子上達到平衡與追蹤控制。
  In this thesis, a digital signal processor based (DSP-based) ball and beam control system has been built. This system consists of a mechanism, a motor actuator, sensors and the controller. The mechanism consists of a platform, a beam, a ball and a gear module. An armature controlled DC motor is used. The position-sensor is made up of nichrome resistance and the angular sensor is a photo encoder. A digital controller is realized through floating-point DSP (TMS320VC33, TI), and the peripheral interfaces are designed to accomplish the control operation.
  Ball and beam is a highly nonlinear system. Due to existence of the centrifugal force, the system relative degree is not well defined. In this thesis, it is shown how to build up a ball and beam system. Then the mathematical model of this system is derived. The backstepping control design approach is used to design the controller for the ball and beam system. It is a recursive procedure that interlaces the choice of a Lyapunov function to discriminate stability with design of the feedback control, and backstepping control often solves stabilization, tracking and robust control problems under restrictive conditions. In this thesis, the backstepping controller can reduce the effect of centrifugal force on the system, and make the system reach globally asymptotic stability. Finally, the control law is implemented using a digital signal processor with programs coded in C language and assembly. It achieves balancing and tracking control of the ball on the beam.
中文摘要………………………………………………I
英文摘要………………………………………………II
誌謝……………………………………………………III
目錄……………………………………………………IV
圖表目錄………………………………………………VI
第一章 緒論 …………………………………………1-1
1-1 前言…………………………………………1-1
1-2 數位訊號處理器……………………………1-1
1-3 研究動機……………………………………1-2
1-4 相關文獻回顧………………………………1-2
1-5 本文結構……………………………………1-4
第二章 球與桿系統機構和感測器之製作………… 2-1
2-1 前言…………………………………………2-1
2-2 球與桿系統機構的製作……………………2-2
2-3 位置與角度感測器的製作…………………2-5
第三章 電樞控制直流馬達和球與桿系統數學模型 3-1
3-1 前言…………………………………………3-1
3-2 電樞控制直流馬達數學模型之建立………3-1
3-3 電樞控制直流馬達參數識別………………3-4
3-4 球與桿系統數學模型………………………3-10
第四章 球與桿系統之控制器設計………………… 4-1
4-1 前言…………………………………………4-1
4-2 倒階控制簡介………………………………4-1
4-3 倒階控制器設計步驟………………………4-2
4-4 球與桿系統之倒階控制器設計……………4-8
第五章 模擬結果…………………………………… 5-1
5-1 前言…………………………………………5-1
5-2 模擬結果……………………………………5-1
第六章 硬體及軟體環境介紹……………………… 6-1
6-1 前言…………………………………………6-1
6-2 eZdsp TMS320VC33控制卡硬體介紹………6-1
6-3 週邊硬體設計………………………………6-7
6-4 軟體環境介紹………………………………6-12
6-4-1 Code Composer作業環境介紹……………… 6-12
6-4-2 軟體發展流程…………………………………6-16
第七章 實驗結果…………………………………… 7-1
7-1 前言…………………………………………7-1
7-2 微分器之實現………………………………7-2
7-3 實驗結果……………………………………7-3
第八章 結論與建議………………………………… 8-1
8-1 結論…………………………………………8-1
8-2 建議…………………………………………8-1
參考文獻
附錄A 球與桿系統桿子旋轉力矩 與齒輪旋轉力矩 關係式之推導
附錄B Lyapunov穩定性與收斂
附錄C 球與桿系統之DSP週邊介面電路圖
自述
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[19] TMS320C3x/C4x Assembly Language Tools User’s Guide (SPRU035C), Texas Instruments, 1998.
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