论文总字数：24158字

摘 要

吹摆（倒立摆）系统是一种典型的非线性、欠驱动系统，是本科阶段的重要实验教学内容，也是许多工程控制问题的抽象模型，如机器人、航空航天等领域。

本文利用Solidworks设计了一套吹摆机械系统模型，包括摆页部件、风扇部件和底座，并设计了相应的工程图纸；利用Simulink建立吹摆系统模型，并进行时域分析和控制回路仿真；最后，在TwinCAT软件中对EtherCAT主站与从站进行系统搭建与配置，利用离散PID算法对吹摆系统进行控制。论文主要研究了吹摆实验平台的设计与搭建，吹摆系统的可控性、稳定性，以及基于EtherCAT的控制系统的设计及仿真。仿真结果表明，吹摆系统控制过程稳定，具有较强的鲁棒性，适用于日常教学与研究工作。

关键词：EtherCAT；离散PID算法；运动控制系统；吹摆系统

Abstract

Wind pendulum (inverted pendulum) system is a typical non-linear, under drive system, which is an important experimental teaching content in undergraduate stage, and also an abstract model of many engineering control problems, such as robot, aerospace and other fields.

This paper uses SolidWorks to design a set of mechanical system model of wind pendulum, including swing parts, fan parts and base, and designs the corresponding engineering drawings; uses Simulink to establish the model of wind pendulum system, and carries out time-domain analysis and control circuit simulation; finally, in TwinCAT software, the system construction and configuration of EtherCAT master station and slave station, and uses discrete PID algorithm to wind pendulum system Control in a unified way. This paper mainly studies the design and construction of the experimental platform, the controllability and stability of the system, and the design and Simulation of the control system based on EtherCAT. The simulation results show that the control process of the system is stable and robust, which is suitable for daily teaching and research.

Key words: EtherCAT ; discrete PID algorithm; motion control system; wind pendulum system

目 录

摘 要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 吹摆（倒立摆）系统控制方法研究现状 1

1.2.2 运动控制技术研究现状 1

1.2.3 EtherCAT技术研究现状 1

1.3 论文的主要研究内容 1

第2章 吹摆系统机械结构设计 1

2.1 吹摆系统机械结构装配设计 1

2.2 摆页部件结构设计 1

2.2.1 编码器选型 1

2.2.2 部件装配设计 1

2.3 风扇部件结构设计 1

2.3.1 风扇选型 1

2.3.2 滚珠丝杠副设计计算 1

2.3.2.1 滚珠丝杠选型 1

2.3.2.2 滚珠丝杠副轴端形式确定 1

2.3.3 部件装配设计 1

2.4 底座结构设计 1

2.5 本章小结 1

第3章 吹摆系统模型仿真 1

3.1 吹摆系统模型建立与分析 1

3.1.1 吹摆系统机械特性分析 1

3.1.2 吹摆系统模型建立 1

3.1.3 吹摆系统时域分析 1

3.2 控制策略分析 1

3.2.1 闭环控制系统模型建立 1

3.2.2 参数整定与仿真分析 1

3.3 本章小结 1

第4章 基于EtherCAT的吹摆控制系统设计 1

4.1 总体控制方案设计 1

4.2 EtherCAT主站设计 1

4.2.1 PLC逻辑程序编写 1

4.2.2 HMI界面设计 1

4.3 EtherCAT从站设计 1

4.3.1 PWM控制直流电机原理 1

4.3.2 主从站连接相关配置 1

4.4 Simulink与TwinCAT交互设计 1

4.5 本章小结 1

第5章 结论 1

5.1 工作总结 1

5.2 进一步工作建议 1

参考文献 1

附 录 1

致 谢 1

第1章 绪论

倒立摆是由美国麻省理工学院电机系的研究者发明的。吹摆系统结构比倒立摆更简单，适用于实验教学环节，目前相关学术研究较少，但在控制原理上两者非常近似。

1.1 研究背景、目的及意义

吹摆（倒立摆）控制系统是一个复杂的、不稳定的非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台，是一种研究控制理论的经典模型^[1]。倒立摆控制系统涉及嵌入式理论、伺服技术、运动控制、传感器技术等多个领域，具有很强的综合性^[2]。

将计算机网络中的以太网技术应用于工业自动化领域构成工业以太网，是当前工业控制现场总线技术的一个重要发展方向^[3]。

EtherCAT是Beckhoff公司于2003年提出的现场总线方案，是目前使用比较广泛的一种工业以太网现场总线。EtherCAT协议运用的是主从站数据传输模式，数据帧使用标准的以太网帧格式。

图1.1 EtherCAT协议数据交换模式

本课题旨在设计一种基于EtherCAT的吹摆系统，摆页的初始状态为竖直状态，控制目的是保持摆页在风力作用下维持一定的偏转角度。利用EtehrCAT协议刷新周期短、同步性能好的特点，使用PC机作为主站（软件实现），配以专用ESC从站芯片和微处理器，实现对直流风扇电机的转速控制；并使用角度编码器构成转角闭环控制回路，实时监测与控制吹摆物理系统的转角位置。吹摆系统实验平台的设计使用范围为实验教学或者实验研究。

吹摆系统是倒立摆系统的简化版本，运用了和倒立摆控制系统一样的控制流程和控制算法；但在机械结构上较为简单，制造成本低，整体控制难度较低，驱动风力受环境影响较大，故比较适用于实验室内教学与研究使用。由于本次设计是通过EtherCAT协议搭建对吹摆的控制系统，故可利用标准以太网，在一台机器上就可实验对多台吹摆实验设备的控制，有利于实验室的管理分配。

在工程实践领域，倒立摆的理论研究成果被广泛运用到各行各业，如半导体、机器人、航空航天等。使用EtherCAT方式对吹摆系统进行控制，可以实现多从站、多设备的远程同步控制，这种控制模式是未来工业自动化发展的方向。

因此，本课题对于本科阶段理论应用与实际探索能力的培养具有重要意义，拟开发的吹摆实验平台有助于帮助实验者深入理解控制技术和实际控制环节。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 吹摆（倒立摆）系统控制方法研究现状

倒立摆的研究始于20世纪50年代。吹摆是在倒立摆的基础上设计的，结构更简单，控制原理类似。目前，国内外对于吹摆系统的相关研究较少。

控制理论分为经典控制和现代控制理论两大类，用于吹摆（倒立摆）系统的控制理论主要有以下几种：

⑴PID控制

PID控制算法属于经典控制理论，由三个环节叠加组成，结构简单，易于实现。但是经典PID控制参数通常基于线性化系统进行设计，需要对非线性系统进行线性化处理，并且PID参数的确定大多依赖于经验。在工程领域，因为PID算法的实用性，大多数可近似线性化的系统都优先考虑采用此算法。在连续PID算法的基础上，由于计算机水平和硬件能力的提升，又产生了离散PID算法，更适合用于工程领域。

⑵状态反馈控制

状态反馈控制属于现代控制理论。当系统特征方程闭环极点在S平面中全部位于虚轴左侧时，由极点配置法可以得到系统处于稳定状态；另外一种通过求解反馈增益矩阵实现最优控制的方法称为线性二次型控制方法（LQR），可以用于处理扰动信号和测量噪声。LQR算法不仅适用于时变系统，也适用于随动系统，具备相当好的性能。

⑶模糊控制

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