旋转倒立摆设计方案

器件：角度测量使用绝对式编码器（HN3806A5V1024）

电机采用（ maxon DC motor 118752 RE25）

电机驱动采用L298N，可以承受24V的电压，驱动能力强。

主控为STM32F103

其中硬件搭建要注意稳定性，电机的瞬间扭力很大，如果底座不稳定的话会给接下来的软件调试带来很大的麻烦。

系统框图

程序设计思想：

绝对式编码器不断的读取摆杆实时的角度值，单片机将采集到的角度值与之前预设的值的差经过PID算法，输出一个矫正值，不同矫正值对应这不同的PWM占空比，矫正值的符号与电机的转向相同。经过这一闭环调节，可以实现摆杆直立。

PID调试经验总结：

本次设计核心部分为PID算法，PID的程序是固定的，但是三个参数的不同搭配，会产生各种各样的变化。因此当PID算法的三个参数选择合适，可以实现理想的效果，我们最后做的效果可以达到摆杆一直不倒，用手轻触，在力不大的情况下可以实现抗干扰，但是由于电机驱动能力等问题，并不能在力较大的情况下实现抗干扰。

P（比例）调节作用，P是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减小偏差。比例作用大，可以加快调节，减小误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

I（积分）调节作用，I是系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无差，几分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti 越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加大积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

D（微分）调节作用，微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能遇见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已经被微分调节作用消除，因此微分调节可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰能力不利，除此之外，微分反应的是变化率，而当没有变化时，微分作用输出为0。微分作用不

能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合。

由于PID三个参数协同作用又相互干扰，因此最困难的一步就是参数的整定，在试验中我们先用Matlab做了PID的控制数据模型，先任意给一组数据（三个参数都给），观察曲线的收敛发散情况。然后从P开始每次步进减少或增加，看效果，然后再调节I，最后是D，在调节的过程中借助串口，将角度值发送到电脑端，用Matlab画出曲线，然后与理论进行比较，不断尝试。在实验中发现I越大，调节频率越快，抖动越厉害，但是杆稳定。

整定曲线：

实物图：

全国电子设计大赛旋转倒立摆

全国电子设计大赛旋转倒立摆 Prepared on 22 November 2020

目录摘要本设计综合考虑基础部分和发挥部分要点，采用mega128a为主控芯片，BTS7960驱动电机并在程序中涉及到pid算法对电机进行调控，在设计中，我们采用1000线编码器为角度传感器。在该简单控制装置中，我们实现了摆动，圆周运动和短时间的自动控制下的倒立。关键字：倒立摆，mega128a，编码器第一章系统方案比较与选择

总实现方案方案一：用陀螺仪和加速度计通过卡尔曼数据融合得到角度，用此处的角度为载体用单片机进行数据处理，并调整电机。方案二：用电位器做角度传感，通过单片机自带ADC来读取电位数值以此为依据来判断角度，并调整电机。方案三：用编码器做角度传感器，通过读取编码器的输出脉冲来计算角度传感器的输出角度，用此角度做处理调整电机。通过对两个方案的对比选择，方案一中的加速度计和陀螺仪算法实现复杂，我们在融入卡尔曼滤波后有明显滤波效果，但是由于圆周运动，会使得各个方向轴返回的数据出错，且波动大，会减弱卡尔曼的滤波效果，对于pid的精准调整还是远远达不到预期。在方案二中，考虑到电位器内部结构问题，虽然理论上电位器在转动过程中是线性的，但是考虑到每次停靠的电阻位可能会产生误差，最后考虑到我们最终选定的单片机ADC只有10位，在方案三中，由于实现编码器的功能实现方便简单，并能更多的趋近于精确值，因此最后我们采用了方案三。主控制器方案比较与选择为了完成在短时间快速采集并计算角度，主控器件必须有较高的CPU工作频率和存储空间。方案一：采用51系列加强型STC12C5A60S2作为主控器件，用来实现题目所要求的各种功能。此方案最大的特点是系统规模可以做得很小，成本较低。操作控制简单。但是，我们在利用单片机处理高速信号快速扫描及电机控制时显得吃力， 51系列单片机很难实现这一要求。

翻转课堂教案

翻转课堂之《我的母亲》教学设计一、课前准备（一）教学分析 1.教材分析《我的母亲》是江苏省教育出版社出版的《语文基础模块?下册》第5 课的教学内容。主要讲述了胡适母亲生前的几件事，通过学习让学生学会通过细节表现人物性格，感受母亲的人格魅力，培养学生体验母爱的伟大，学会爱自己的母亲。 2.教学对象分析本节课的教学对象是初中一年级的学生，他们接受过作文写作的训练，能对人物进行刻画，对母亲的了解很深，因此，对本节课学习内容有很好的准备。 3.教学目标分析（1）知识与技能目标：把握文章内容，了解自传体特征。（2）过程与方法目标：学会细节描写表现人物性格写作技巧。（3）情感态度价值观目标：感受作者对母亲的怀念，体会母爱的伟大。 4.教学重难点分析（1）教学重点：理清母亲生前几件事，把握母亲的人格魅力。（2）教学难点：体会母爱的伟大，表达对母亲的爱。 5.教学方法学生通过课前观看教师录制好的教学视频，学习本节课的教学内容，做好课前预习工作；课堂上，学生组成小组，共同讨论，协作完成教学任务，小组合作不能解决的问题也可以向教师请教；最后由小组代表与班级同学将自己小组成果与大家共同分享。（二）搜集资料，制作课件在对教学内容分析的基础上，备课组教师协商讨论，搜集相关资料，将授课内容制作成PPT 课件，制作课件时尽量考虑色彩、内容，争取图文并茂，生动形象，能吸引学生的注意力。同时，针对本节课的教学内容，可以搜集一些相关的拓展性资源，比如：胡适的个人经历，胡适母亲的个人经历，胡适家族情况等，使学生对整篇文章的背景有更全面的了解。同时，搜索相关的练习题，供学生在课前预习后自我检测。（三）视频录制视频的制作方式很多，可以通过电脑或手写板将课件内容录频，生成视频课件。视频内容可以是教师对PPT 课件内容进行讲解、展示或者注释；还可以由主讲教师像平常上课时一样直接讲课，由技术人员用摄像机进行录制生成视频；或者教师可以在学习网站上搜集查找本节课的教学视频。视频的时长一般保持在15 分钟左右，过长会导致学生没有足够时间观看，过短又不能将教学内容全部呈现。最后由教师将准备好的学习资源上传到学习资源库中，供学生下载观看。（四）学生观看视频学生下载学习资源库中的视频资源进行观看，可以控制视频的播放进度，对于简单的部分可以快进、跳过，对于较难的部分可以重复观看，还可以暂停记录笔记等。在视频观看结束后，学生可以登录作业平台做一些习题检测预习效果。还可以在网络平台上与同伴进行简单交流。二、课堂学习（一）速读课文，整体感知学生速读课文后思考回答以下几个问题。 1.课文讲述了胡适母亲生前的哪几件事？（1）督促我早起，“催”去上学。（2）我说了不该说的话，她重重责罚我。（3）在除夕之夜对付败家子大哥的债主，她从不骂一声，也从不露出一点怒色。（4）忍受了两个嫂子的气，忍到不可再忍时，悲哭一场。

本科毕业设计任务书：旋转单级倒立摆系统建模与实物控制

系信控系主任批准日期 2015-3-6 毕业设计（论文）任务书信息与控制工程系自动化专业 ×× 班学生 ×× 一、毕业设计(论文)课题旋转单级倒立摆系统建模与实物控制二、毕业设计(论文)工作自 2015 年 3 月 2 日起至 2015 年 6 月 28 日止三、毕业设计(论文)进行地点学科2号楼801实验室四、毕业设计(论文)的内容要求 1、设计目的倒立摆系统自身是一个典型的绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统。许多抽象的控制理论概念如系统的可控性、稳定性、系统的抗干扰能力和系统的快速性等，都可以由倒立摆系统直观地展示出来。近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。因此倒立摆系统是一个研究和验证先进控制算法性能的一个优秀平台。目前国内外关于倒立摆的研究大都集中在直线型倒立摆系统，旋转倒立摆的研究较少。本次毕业设计以加拿大QUANSER 公司的旋转单级倒立摆为研究对象，采用机理建模法建立其动力学模型，在此基础上分析该倒立摆系统的性能，并设计控制器实现平衡控制且动态性能满足%16.3%,3s t s σ≤≤。通过此次毕业设计使学生具备如下能力：①通过毕业设计，熟悉和掌握建立实际物理系统模型的能力；②利用经典控制理论和现代控制理论对控制系统进行系统性能分析和控制器设计的能力；③利用MATLAB /SIMULINK 实现控制系统

建模、仿真、实物控制并对实验结果进行分析的能力。④查阅相关中英文文献，了解典型运动控制对象-旋转倒立摆控制技术的前沿发展动态； 2、设计要求（1）建立所用的旋转单级倒立摆系统的数学模型并分析系统的性能。（2）根据给定的性能指标，分别设计满足要求的LQR 控制器和变结构控制器，在MATLAB 环境下实现上述两种控制算法。（3）以加拿大QUANSER 公司的旋转单级倒立摆为对象，采用上述两种控制算法实现对旋转单级倒立摆实物系统的平衡控制且动态性能满足 %16.3%,3s t s σ≤≤。 3、设计步骤 1）查阅文献，熟悉和了解倒立摆系统，尤其是旋转单级倒立摆系统平衡控制的研究背景和意义，翻译3000~5000词英文文献，写出高质量开题报告； 2）学习机理建模的基本步骤并利用拉格朗日方法建立所用的旋转单级倒立摆的状态空间模型和传递函数模型。 3）分析系统性能，包括稳定性、可控性和开环响应特性。 4）学习LQR 控制器的基本原理，根据给定的性能指标，设计满足要求的旋转单级倒立摆LQR 控制器并在MATLAB 环境下实现该控制算法； 5）学习滑模变结构控制原理，根据给定的性能指标，设计满足要求的旋转单级倒立比例切换控制率的滑模变结构控制器，并在MATLAB 环境下实现该控制算法； 6）分析控制器中参数的选取对控制性能的影响以及上述两种控制算法的优缺点； 7）熟悉QUANSER 公司的旋转单级倒立摆控制系统实时软件，采用上述两种控制算法实现对旋转单级倒立摆实物系统的平衡控制且满足%16.3%,3s t s σ≤≤。 8）分析实验结果并撰写毕业论文； 4、毕业设计条件 1)信控系机房为每个学生提供150个上机机时。 2)指导老师尽量提供设计需要的参考资料，提供学生必要的资料打印和复印费用。 5、撰写合格或高质量的毕业设计论文，具体要求为

2013大学生电子设计大赛简易旋转倒立摆及控制装置(C题 )

2013年全国大学生电子设计竞赛试题参赛注意事项（1）9月4日8:00竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。（3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。（4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。（5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。（6）9月7日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。简易旋转倒立摆及控制装置（C 题）【本科组】一、任务设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机A 固定在支架B 上，通过转轴F 驱动旋转臂C 旋转。摆杆E 通过转轴D 固定在旋转臂C 的一端，当旋转臂C 在电动机A 驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E 在垂直于旋转臂C 的平面作自由旋转。二、要求 1．基本要求（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°；（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s ；期间旋转臂的转动角度不大于90°。图1 旋转倒立摆结构示意图

小学数学翻转课堂教学设计案例资料

小学数学翻转课堂教学设计案例龙源期刊网.cn小学数学翻转课堂教学效果评述作者：郭鹏飞来源：《中国信息技术教育》2015年第11期时代呼唤课堂教学改革，翻转课堂的出现为课堂教学改革提供了一种新的选择自从被引入国内以来，翻转课堂就受到了教育界的普遍关注，大批教育工作者围绕翻转课堂进行理论研究，形成了一定的理论研究成果随着翻转课堂概念的兴起，一些地区的中小学也掀起了学习翻转课堂的热潮国内关于翻转课堂的研究很大程度上还停留在理论层面，翻转课堂的教学效果如何，尚不能给出有力的证明为此，我们联合江苏省无锡市新区实验小学开展了小学数学学科翻转课堂教学实践与研究，以期从中获取一定的答案翻转课堂教学研究设计研究对象为江苏省无锡市新区实验小学五年级甲班和乙班学生，两个班级的基本情况相似甲班作为实验班，共45人；乙班作为对照班，共45人在实验过程中，控制变量为教师特质、学习内容、教学时间和评价工具等，保证以上项目相同；自变量为教学方法，即实验班采用翻转课堂教学方法，对照班采用传统教学方法；因变量是学生的学习动机、学习成效和认知负荷本研究选取苏教版小学五年级数学上册第六单元《统计表和统计图》整个单元作为实验教学内容，该单元主要学习复式统计表和复式条形统计图在实验开始前，实验班和对照班均接受数学学习动机和数学学习成效前测然后开

始进行教学，实验班通过对整个单元内容的分析、知识点的梳理、教学微视频制作、课前和课上教学活动的设计，按照翻转课堂的教学方法进行授课对照班则严格按照同年级平行班的要求进行实验研究四周后，实验班和对照班均接受数学学习动机、数学学习成效和认知负荷的后测，并进行访谈辅助研究翻转课堂教学效果评述1.激发学生学习兴趣，学习动机显著增强学习动机是指引起个体的学习活动，并促使该学习活动朝向教师所设定目标的内在心理历程本研究指的学习动机主要是学生在数学领域所表现出努力和投入的内在趋力对于学习动机的测量，主要参考目前国内外比较成熟的数学学习动机量表修订而成，每道题有五个选项，分别是“非常同意”、“同意”、“不确定”、“不同意”、“非常不同意”，学习者根据每题题意描述，选出最符合自我感受的选项，对应得分分别计为5分、4分、3分、2分、1分得分越高，表明学习者在数学领域学习动机越强下页表1为实验班和对照班数学学习动机前、后测结果小学数学翻转课堂在肥城实验小学的实现的一点思考本周六在泰安参加了“中国教育梦-名师微课程与翻转课堂小学数学观摩课”，让我颇受启发几位名师的讲课深入浅出，学生学习的积极性很高整节课，老师都在提问：“为什么呢”，注重学生的启发诱导，从提问自己的年龄、身高等入手，不断向学生发问，启发学生提出各种数学问题，让数学联系的生活，同时也锻炼了能力尽量让

单级旋转倒立摆系统

《现代控制理论》课程综合设计单级旋转倒立摆系统 1 引言单级旋转倒立摆系统一种广泛应用的物理模型，其物理模型如下：图示为单级旋转倒立摆系统原理图。其中摆的长度1l =1m ，质量1m =0.1kg ，横杆的长度2l =1 m ，质量2m =0.1kg ，重力加速度20.98/g m s =。以在水平方向对横杆施加的力矩M 为输入，横杆相对参考系产生的角位移1θ为输出。控制的目的是当横杆在水平方向上旋转时，将倒立摆保持在垂直位置上。图1 单级旋转倒立摆系统模型单级旋转倒立摆可以在平行于纸面3600的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的推动下，摆杆仍然保持竖直向上状态。在横杆静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆微小的扰动下，就会使倒立摆的平衡无法复位，这时必须使横杆在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，故单级倒立摆系统是一个非线性系统。本文综合设计以以在水平方向对横杆施加的力矩M 为输入，横杆相对参考系产生的角位移1θ为输出，建立状态空间模型，在原有系统上中综合带状态观测器状态反馈系统，从而实现当横杆在旋转运动时，将倒立摆保持在垂直位置上。 2 模型建立本文将横杆和摆杆分别进行受力分析，定义以下物理量：本文将横杆和摆杆

分别进行受力分析，定义以下物理量：M 为加在横杆上的力矩；1m 为摆杆质量； 1l 为摆杆长度；1I 为摆杆的转动惯量；2m 为横杆的质量；2l 为横杆的长度；2I 为横杆的转动惯量；1θ为横杆在力矩作用下转动的角度；2θ为摆杆与垂直方向的夹角；N 和H 分别为摆杆与横杆之间相互作用力的水平和垂直方向的分量。倒立摆模型受力分析如图2所示。图2 倒立摆模型受力分析摆杆水平方向受力平衡方程： 2 111222(0sin )2 l d N m l dt θθ=++ （1θ2l —横杆的转动弧长即位移）摆杆垂直方向受力平衡方程： 211 1122(cos )22 l l d H m g m dt θ-=- 摆杆转矩平衡方程： 22111222sin cos 22 d l l J H N dt θθθ=- 横杆转矩平衡方程： 21 222 d M Nl J dt θ-= N

单级倒立摆系统的分析与设计

单级倒立摆系统的分析与设计小组成员：武锦张东瀛杨姣李邦志胡友辉一．倒立摆系统简介倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其研究具有重大的理论和实践意义。由于倒立摆系统本身所具有的上述特点，使它成为人们深入学习、研究和证实各种控制理论有效性的实验系统。单级倒立摆系统（Simple Inverted Pendulum System）是一种广泛应用的物理模型，其结构和飞机着陆、火箭飞行及机器人的关节运动等有很多相似之处，因而对倒立摆系统平衡的控制方法在航空及机器人等领域有着广泛的用途，倒立摆控制理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器入技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。最初研究开始于二十世纪50年代，单级倒立摆可以看作是一个火箭模型，相比之下二阶倒立摆就复杂得多。1972年，Sturgen等采用线性模拟电路实现了对二级倒立摆的控制。目前，一级倒立摆控制的仿真或实物系统已广泛用于教学。二．系统建模 1．单级倒立摆系统的物理模型图1：单级倒立摆系统的物理模型

单级倒立摆系统是如下的物理模型：在惯性参考系下的光滑水平平面上，放置一个可以在平行于纸面方向左右自由移动的小车（cart ），一根刚性的摆杆（pendulum leg ）通过其末端的一个不计摩擦的固定连接点（flex Joint ）与小车相连构成一个倒立摆。倒立摆和小车共同构成了单级倒立摆系统。倒立摆可以在平行于纸面180°的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的摄动下摆杆仍然保持竖直向上状态。在小车静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆受到微小的摄动时就会发生不可逆转的破坏而使倒立摆无法复位，这时必须使小车在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。依照惯性参考系下的牛顿力学原理，作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，单级倒立摆系统是一个非线性系统。各个参数的物理意义为： M — 小车的质量 m — 倒立摆的质量 F — 作用到小车上的水平驱动力 L — 倒立摆的长度 x — 小车的位置 θ— 某一时刻摆角整个倒立摆系统就受到重力、驱动力和摩擦阻力的三个外力的共同作用。这里，驱动力F 是由连接小车的传动装置提供，控制倒立摆的稳定实际上就是依靠控制驱动力F 使小车在水平面上做与倒立摆运动相关的特定运动。为了简化模型以利于仿真，假设小车与导轨以及摆杆与小车铰链之间的摩擦均为0。 2．单级倒立摆系统的数学模型令小车的水平位移为x ，运动速度为v ，加速度a 。小车的动能为212kc E Mx =，选择特定的参考平面使得小车的势能为0。摆杆的长度为L ，某时刻摆角为θ，在摆杆上与固定连接点距离为q （0

简易旋转倒立摆及控制装置

简易旋转倒立摆及控制装置（C 题）参赛队员姓名：指导教师姓名参赛队编号：参赛学校：

简易旋转倒立摆及控制装置（C 题）摘要：简易旋转倒立摆及控制装置是复杂的高阶闭环控制系统，控制复杂度较高。系统以飞思卡尔MK10DN512ZVLL10单片机为核心，以Mini1024j编码器为角度传感器，配合直流电机组成旋转倒立摆系统，经过充分的系统建模，并考虑单片机运算速度，最终确定采用改进的“模糊PID”控制算法，通过软件控制，可以满足基本部分要求和发挥部分要求。系统的突出特点在于充分的力学理论分析，通过力学建模和控制系统仿真，获得了大量的定性分析结果，为系统的建立提供了很好的理论依据。关键字：倒立摆模糊PID 力学建模状态机

一、系统方案 1. 系统方案论证与选择倒立摆系统是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定的系统。对于该控制系统而言，合适的控制算法、精确的反馈信号、适合的电机驱动等都对系统的稳定性、控制精度及抗干扰性起重要作用。针对上述问题，分别设计多种不同的解决方案，并进行选择论证。（1）控制算法选择方案一：采用传统PID控制算法。传统PID控制算法是运用反馈求和后的误差信号的比例(0阶位置项)、积分(误差累积项)、微分(1阶速度项)进行系统校正的一种控制算法。可用于被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到的精确数学模型的情况，控制器的结构和参数必须依靠经验和反复调试来确定。方案二：采用模糊PID控制算法模糊PID控制算法根据PID控制器的三个参数与偏差e和偏差的变化ec之间的模糊关系，在运行时不断检测e及ec，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，让PID参数可自整定。将模糊控制算法与传统PID控制算法巧妙结合，不但具有PID控制算法精度高等优点，又兼有模糊控制灵活、适应性强的优点。综合考虑选择方案二的模糊PID控制算法。（2）电动机选型方案一：选择步进电动机步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步。虽然控制时序和驱动电路相对复杂，但步进距离很小，保持力矩大，制动能力强。但步进电机速度只在一定范围可调，并且一般步进电机在不旋转时仍有若干相通电，功耗太大。方案二：选择直流电动机直流电动机控制简单，利用双极性PWM即可实现调速和正、反转，功率调节范围广、适应性好。直流电机的起动、制动转矩大，易于快速起动、停车，易于控制，且直流电机的调速性能好，调速范围广，易于平滑调节。综上考虑选择方案二的直流电动机。（3）传感器的选择方案一：使用角位移传感器角位移传感器是一个高精度的电位器，它输出为模拟量。但是在使用角位移传感器时，为得到其与竖直方向(即重力方向)的夹角，要使用重摆，且在角度变化小时，由于传感器自身扭矩，将不会发生角位移，从而得不到采样数据。方案二：使用主轴编码器主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮1:1地同步传动。一般是发光二极管发出红外光束，通过动、静两片光栅后，到达光电二极管，接收到脉冲信号，变换成数字量输出。按编码方式不同，分为增量式编码器和绝对编码器。前者输出脉冲，后者输出8421码。绝对值编码器减轻了电子接收设备的计算任务，从而省去了复杂的和昂贵的输入装置，而且，当机器合上电源或电源故障后再接通电源，不需要回到位置参考点，就可利用当前的位置

翻转课堂案例：《数字与信息》教学设计课题及其反思

翻转课堂案例：《数字与信息》教学设计及其反思工业园区翰林小学梁文洁一、教材分析《数字与信息》是苏教版义务教育小学数学第八册综合与实践活动的教学容。主要结合、门牌、等具体的实例，引导学生通过观察与思考、调查与交流，初步了解数字编码的有关知识，体会用数字编码描述信息的思想方法，感受数字编码在日常生活中的广泛应用。教材分“提出问题”“比较分析”“设计方案”“拓展延伸”四个环节安排活动。“提出问题”环节，主要结合具体的实例，引导学生初步了解数字编码的特点；“比较分析”环节，主要结合，帮助学生体会用数字编码表达信息的方法；“设计方案”环节，主要引导学生以全校同学为主体，讨论并设计为全校同学编号的方案；“拓展延伸”环节，主要引导学生到生活中找一些用数字编码表示信息的例子，说说它们各表达了什么信息。最后，教材引导学生讨论用数字编码表达信息有什么好处，通过上面的活动，有哪些收获和体会，帮助学生体会用数字编码表达信息具有准确、简洁、便于检索等特点，并进一步梳理活动过程中获得的认识与经验，感受数字编码的应用价值。本课教学重点是：组织学生分析数字编码现象，了解生活中一些常见的数字编码的含义及方法，探索发现等编码基本知识，学会分析和获取其编码信息，解决一些简单的生活中的数字编码问题。本课教学难点是：正确理解数字编码的方法，发现等编码信息及基本编码方法，正确、合理、灵活和科学地自主编制一些生活中的数字编码问题。二、达成目标发掘《数字与信息》教学课时为一课时，遵循先“读”（码）后“编”（码）的编写体例，读和编在同一课时完成，体现出读编并重的特点。但从四年级学生的认知水平分析，若以先读后编的路径展开教学，邮政编码、的复杂性可能只会让学生关注到编码的含义，而忽视蕴含其中的编码方法。如果无法通过编码方法架起桥梁，那么读和编必然是脱节的，是无法达成培养学生编码的意识和能力的教学目标的。基于以上认识，笔者将本课时达成目标分解为课前自主学习和课堂自主学习两个部分。课前自主学习达成目标设定为：

旋转倒立摆设计报告

旋转倒立摆摘要：倒立摆的控制是控制理论研究中的一个经典问题，通过旋转式倒立摆控制系统的总体结构和工作原理，硬件系统和软件系统的设计与实现等方面，对系统模型进行动力学分析，建立合适的状态空间方程，通过反馈方法实现倒立控制，通过反复的实验，记录，分析数据，总结出比较稳定可行的控制方法。本系统采用STC89C52作为主控制芯片，WDJ36-1高精度角位移传感器作为系统状态测试装置，通过ADC0832将采集的模拟电压量转化为数字量，传送给STC89C52进行分析处理，并依此为依据控制电机的运转状态，间接地控制摆杆的运动状态。通过不断地测量、分析，并调整系统控制的参数，基本达到了题目的要求，并通过此次的练习，进一步熟悉掌握了单片机的应用，对控制系统的了解和兴趣。关键词：单片机最小系统； WDJ36-1角位移传感器; 旋转倒立摆；状态反馈；稳定性；

目录 1.系统方案 (4) 1.1 微控制器模块 (4) 1.2电机模块 (4) 1.3电机驱动模块 (4) 1.4角度传感器模块 (5) 1.5电源模块 (5) 1.6显示模块 (5) 1.7最终方案 (6) 2.主要硬件电路设计 (6) 2.1电机驱动电路的设计 (6) 2.2角度检测电路的设计： (7) 3.软件实现 (7) 3.1理论分析 (7) 3.2总体流程图 (7) 3.3平衡调节流程图 (9) 4 .系统理论分析及计算.................. . (10) 4.1系统分析 (10)

4.2 摆臂摆角的计算.................. . (10) 5．系统功能测试： (10) 5.1测试方案 (10) 5.2测试结果 (10) 5.3测试分析及结论 (10) 6.结束语 (11)

翻转课堂教学设计模板

翻转课堂教学设计模板学科信息技术基础教学内容（课名）文本信息的加工和表达教学设计该内容总课时 1 翻转课时 1 一、学习内容分析这一节内容是后续的表格信息的加工与表达、多媒体信息的加工与表达、用智能工具处理信息、信息的发布与交流等内容的基础和前提。不同文本的表现形式有不同的加工表达特点，所选用的工具也不一定相同。常用的文本加工工具有：Word、WPS、记事本、写字板等。按文本组织形式的复杂程度，我们可把文本信息的加工分为日常文本信息的加工和报刊类信息的加工两大类。日常文本包括标语、广告、通知、信函、报告、文章等。二、学习目标分析 1、知识与技能（1）、了解常见文本类型及其加工软件；（2）、巩固在文本处理时的常见名词，如：版面、段落、文字、对象等概念；（3）、能够根据任务需求，熟练使用文字处理软件加工信息，表达意图。 2、过程与方法经历、体验文字信息的加工过程，表达自己的观点，交流思想，促进合作。 3、情感态度与价值观（1）、培养学生的审美能力；（2）、培养团结协作的精神。三、学习者特征分析学生在义务教育阶段初步学习了写字板、WORD等，体验了文本加工的基本操作，通过前面章节的学习，大部分学生比较熟悉利用网络搜索素材。但是也有一部分学生是“零起点”，没有处理文本信息的操作基础。四、课前任务设计 1.制作一份通知。 2.制作一份邀请函。 3,自选主题，从网上下载材料，形式不限。任务要求：文本表达的主题、意图鲜明。版面布局合理匀称，内容层次结构清晰。排版符合同类文本的一般规范，样式和谐美观，符合多数人的审美观点。遇有疑难问题可使用老师提供的“加工日常文本信息可能遇到的问题及解答”文件。

单级倒立摆

2011级自动化1班杨辉云 P111813841 一级倒立摆的模糊控制一．倒立摆的模型搭建 1. 单级倒立摆系统的数学模型对于单级倒立摆，如果忽略了空气阻力和各种摩擦阻力之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成沿着光滑导轨运动的小车和通过轴承链接的均质摆杆组成，如图所示，其中小车的质量M=1.40kg ，摆杆质量m=0.08kg ，摆杆质心到转动轴心距离L=0,.2m ，摆杆与垂直向下方向的夹角为，小车华东摩擦系数 f c =0.1。摆杆 θ 传送带导轨直线单级倒立摆 2. 倒立摆控制系统数学模型的建立方法利用PID 控制和拉格朗日方程两种建模。一级倒立摆系统的拉格朗日方程应为 L （q ，。 .q ）=V （q ，。 q ）—G （q ，。 q ）（1）式中：L 是拉格朗日算子，V 是系统功能；G 系统势能。 dt d x ??L — x ??L + x ??D = fi （2）

式中：D 是系统耗散能， f c 为系统的第i 个广义坐标上的外力。一级倒立摆系统的总动能为： V=θθcos x ml ml 3 2)(212 22。。。+++x m M （3）一级倒立摆系统的势能为： G=θcos mgl θ （4）一级倒立摆系统的耗散能为： D= 2 2 1 。x f c （5）一级倒立摆系统的拉格朗日方程为： 0=??+??-??θ θθD L L dt d (6) F X D X L X L dt d =??+??-?? (7) 将（1）到（5）式带入（6）式得到如下： 0sin sin sin cos m 3 422=-+。。。。。。 ——θθθθθθθθmgl x ml x ml x l ml （8）（M+m ）F x ml ml x f c =+ +θθθθsin cos 2。。 — （9）一级倒立摆系统有四个变量：。。，，， θθx x 根据（7）式中的方程写出系统的状态方程，并在平衡点进行线性化处理，得到系统的状态空间模型如下： =。X ? ?????0 000 0189.000748 .01-- 579.20 386.00 ??????0100+x ? ???? ? ??? ???-8173.007467 .00

翻转课堂典型案例教学设计及反思

翻转课堂典型案例教学设计及反思、点评 (2015-05-28 16:39:10) 转载▼ 分类：翻转课堂研究（博文转载自金陵叙事）这篇文章是我阅读梁文洁老师写的《翻转课堂案例：〈数字与信息〉教学设计与反思》之后写的，刊登于《中国信息技术教育》2015年4月刊（下）P42。读完我的这篇“读后感”，您再阅读梁文洁老师的翻转课堂教学与反思的文章，您也许更容易发现，梁老师这课的确与传统课不同。柳暗花明总会春 ——兼评梁文洁《翻转课堂案例：〈数字与信息〉教学设计与反思》读到苏州工业园区翰林小学梁文洁老师《翻转课堂案例：〈数字与信息〉教学设计与反思》一文，我其实是感慨良多的。梁文洁老师是成功教师之一，本没有必要通过翻转课堂实验来证明自己的实力与成就。但他洞察到微课程教学法翻转课堂的前景，感受到王水丽副校长翻转课堂前后比较产生的跃迁，毅然效法王水丽，走上翻转课堂这条充满希望的课改之路。微课程教学法翻转课堂要求教师转型，即从演教案的演员型教师，转变成为点化学生智慧的导演型教师，这对传统教学功底深厚的教师来说，几乎没有优势。小学课程改革十五年来，在“转型”方面鲜有突破，就是明证。我有幸听梁老师第一次翻转课堂的课。当时，我称赞梁老师的传统教学基本功，也坦言并没有改变教师主宰课堂的传统陋习。我第二次去听梁老师的课，应该是他尝试了多遍了。走进教室，他给了我一份教案。我悄悄对陪同听课的王水丽副校长说，这堂课完了。王校问我“为什么”，我说：“因为他写了教案。教案是预设的，写了教案，就会关注教案流程，就没有精力去关注学生的发展”。结果，真的没有“翻”出好层次。但是，梁老师不气馁。他的毅力、执着令我佩服，他要通过实验，实现自我扬弃，转型为智者。经过多次努力之后，我们看到了梁老师的重大变化： 1.达成目标细化为课前与课堂两个循序渐进的阶段。在课前学习阶段，通过感性观察，发现常见的数字编码信息。然后，进阶到对身份证编码信息的认识，体现“最近发展区”原则与方法。到了课堂学习，则发展成为从真实的情境出发，根据掌握的数字编码规律，用中图法为学生喜闻乐见的图书编码，实现数学学习生活化，把学习能力化作探究、解决问题的能力。 2.比较完美地演绎了微课程教学法课堂教学“四步法”。由浅入深的逻辑线索层层递进、一环套一环地展开，保证学习扎扎实实地推进，使小学生在协作探究中完成中图法编码这一图书馆专业人员从事的工作。反过来，由于学生准确地为“好书”配上唯一性的“身份证”，表明学生对于数字与信息的编码意义的认知结构已经真实建构。此外，在实践的过程中，发展了学生协作交往的能力，以及对数学学习的浓厚兴趣。

单级旋转倒立摆系统之令狐文艳创作

《现代控制理论》课程综合设计令狐文艳单级旋转倒立摆系统 1 引言单级旋转倒立摆系统一种广泛应用的物理模型，其物理模型如下：图示为单级旋转倒立摆系统原理图。其中摆的长度l=1m，质量1m=0.1kg ，横杆的长度2l =1 m，质量2m=0.1kg，1 重力加速度2 =。以在水平方向对横杆施加的力矩M为 g m s 0.98/ 输入，横杆相对参考系产生的角位移 θ为输出。控制的目的是 1 当横杆在水平方向上旋转时，将倒立摆保持在垂直位置上。图1 单级旋转倒立摆系统模型单级旋转倒立摆可以在平行于纸面3600的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的推动下，摆杆仍然保持竖直向上状态。在横杆静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆微小的扰动下，就会使倒立摆的平衡无法复位，这时必须使横杆在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，故单级倒立摆系统是一个非线性系统。本文综合设计以以在水平方向对横杆施加的力矩M为输入，横杆相对参考系产生的角位移 θ为输出，建立状态空间模 1 型，在原有系统上中综合带状态观测器状态反馈系统，从而实现当横杆在旋转运动时，将倒立摆保持在垂直位置上。 2 模型建立本文将横杆和摆杆分别进行受力分析，定义以下物理量：本文将横杆和摆杆分别进行受力分析，定义以下物理量：M为加在横杆上的力矩； m为摆杆质量；1l为摆杆长度；1I为摆杆 1 的转动惯量； m为横杆的质量；2l为横杆的长度；2I为横杆的 2 转动惯量； θ为横杆在力矩作用下转动的角度；2θ为摆杆与垂 1 直方向的夹角；N和H分别为摆杆与横杆之间相互作用力的水

简易旋转倒立摆及控制装置

2013年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置(C题) 【本科组】 2013年9月7日

摘要本题要求设计一个简易旋转倒立摆及控制系统，其中角度传感器、步进电机和单片机890C521是系统核心部件。系统接收角度传感器反馈的信号，通过PCF8591将接收的信号转换成数字信号，将数值送入单片机中进行计算，可得出摆杆的位置，进而单片机控制步进电机,对摆杆进行控制,达到所要的旋转或者倒立的控制目标。关键词：简易旋转倒立摆步进电机单片机角度传感器目录 1 设计任务及要求..................................................... 1.1 设计任务.................................................... 1.2 基本要求................................................... 2主控制器件的论证与选择............................................. 2.1控制器选用 .................................................. 2.2控制系统方案选择 ............................................ 2.3角度的获取模块论证与选择 .................................... 2.4步进电机及其驱动模块的选择 .................................. 2.5 AD/DA的选择 ................................................ 3 系统的硬件设计..................................................... 3.1总体电路框图 ................................................ 图3-1 系统框图..................................... 错误!未定义书签。 3.2系统电路与程序设计 .......................................... 3.2.1 STC89C52单片机最小系统............................... 3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。............. 错误!未定义书签。 3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。.................... 3.3.4 供电电源............................................. 4系统软件总体设计框图.............................. 错误!未定义书签。 5 测试方案与测试结果................................................. 6 总结............................................................... 参考文献............................................................. 附录.................................................................

基于stm32的旋转倒立摆

所在院系：工程训练中心作者：岳伟杨博古元芮2017.7.21

基于stm32的单级旋转倒立摆控制系统的设计与实现摘要本文对单级旋转倒立摆的控制系统进行了研究，提出了以STM32F103为核心的控制器设计，在控制策略上采用经典控制理论PID的控制算法，实现对单级旋转倒立摆旋转臂及摆杆的同时闭环控制，通过传感器采集摆杆的状态数据，实时调整直流电机的转向和转速，以调整摆臂的角度，使摆杆恢复到动态平衡状态。在非平衡状态下，通过传感器的实时检测，能够通过功能键设计，使摆杆能稳定到一定的角度。最终测试结果表明系统控制策略有效。关键词：STM32F103；直流减速电机；增量式PID 1引言倒立摆控制系统是自动控制理论的重要研究平台，可对应于火箭垂直发射控制技术，因此对它的研究具有重大的实践意义和价值。目前对倒立摆的研究主要分为系统力学分析及建模，控制算法及仿真，而对实现手段少有研究。文章讨论了以STM32为核心的倒立摆控制器的设计与实现，它实现了经典双回路PID控制算法对旋转单级倒立摆的控制策略。 2方案设计与论证 2.1总体方案描述整个系统分为系统模块、编码器模块、电机驱动模块、电机模块、电源模块、键盘模块、显示模块。各模块的系统框图如图1.1所示。

图 1.1 系统框图 2.2方案比较与选择 2.2.1芯片控制模块方案一：采用传统的51系列单片机。传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。方案二: 采用stm32f103单片机 stm32f103单片机，具有功能强大、效率高的指令系统，以及高性能模拟技术及丰富的外围模块。方便高效的开发环境使操作更加简便，低功耗是其它类单片机难以比拟的，集成度较高，编程相对简单。综上，选择了性能跟好的stm32f103单片机。 2.2.2电机选择方案一：普通直流伺服电机普通直流伺服电机有价格低使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高速度快，直流电机则不能满足要求。

翻转课堂典型案例教学设计及反思教学文案

翻转课堂典型案例教学设计及反思

我有幸听梁老师第一次翻转课堂的课。当时，我称赞梁老师的传统教学基本功，也坦言并没有改变教师主宰课堂的传统陋习。我第二次去听梁老师的课，应该是他尝试了多遍了。走进教室，他给了我一份教案。我悄悄对陪同听课的王水丽副校长说，这堂课完了。王校问我“为什么”，我说：“因为他写了教案。教案是预设的，写了教案，就会关注教案流程，就没有精力去关注学生的发展”。结果，真的没有“翻”出好层次。但是，梁老师不气馁。他的毅力、执着令我佩服，他要通过实验，实现自我扬弃，转型为智者。经过多次努力之后，我们看到了梁老师的重大变化： 1.达成目标细化为课前与课堂两个循序渐进的阶段。在课前学习阶段，通过感性观察，发现常见的数字编码信息。然后，进阶到对身份证编码信息的认识，体现“最近发展区”原则与方法。到了课堂学习，则发展成为从真实的情境出发，根据掌握的数字编码规律，用中图法为学生喜闻乐见的图书编码，实现数学学习生活化，把学习能力化作探究、解决问题的能力。 2.比较完美地演绎了微课程教学法课堂教学“四步法”。由浅入深的逻辑线索层层递进、一环套一环地展开，保证学习扎扎实实地推进，使小学生在协作探究中完成中图法编码这一图书馆专业人员从事的工作。反过来，由于学生准确地为“好书”配上唯一性的“身份证”，表明学生对于数字与信息的编码意义的认知结构已经真实建构。此外，在实践的过程中，发展了学生协作交往的能力，以及对数学学习的浓厚兴趣。 3.大胆尝试微型项目学习。项目学习本是舶来品，似乎有些高大上。梁老师抓住协作探究这一微课程教学法倡导的课堂学习精华，让学生在初步掌握数字与信息的编码关系之后，把图书馆采编的真实环境引入课堂，协作探究如何