GPT-4o给出的设计方案：

一、设计方案

本题的任务是设计并制作一套自动旋转倒立摆控制装置。该装置通过电动机A驱动旋转臂B和连接杆E，实现摆杆F的平衡控制与自由旋转。以下是详细的设计方案：

二、方案论证

1. 倒立摆系统设计：

   • 采用单电机驱动系统，通过旋转臂B带动转轴D以及连接杆E。
   • 使用编码器检测旋转臂B的角度位置信息，保证装置的旋转角度准确控制。

2. 控制系统：

   • 使用PID控制器对倒立摆进行实时控制，确保摆杆能够在指定角度范围内保持平衡。
   • 输入为旋转臂的角度传感器数据，控制输出为电动机A的PWM信号。

3. 机械结构设计：

   • 旋转臂B和连接杆E需选择高强度轻材料，如铝合金，确保机械结构的稳定性和响应速度。

三、重要指标的理论分析

1. 响应时间：

   • 从自由不稳定状态（垂直位置，0°）启动到达到稳定状态（±60°以内）的响应时间应不大于5秒。
   • PID控制器的调节参数需根据系统的响应特性进行调优。

2. 转动稳定性：

   • 当摆杆在±60°范围内旋转时保持平衡状态，系统需保证摆杆振荡幅度最小化和快速回到目标位置。

3. 旋转范围：

   • 摆杆能够自由旋转360°，机械结构设计需避免干涉并确保旋转的顺畅性。

四、电路原理图设计要点

1. 主控制单元：

   • 使用高性能MCU（如STM32系列），具备足够的I/O口和计算能力进行实时控制。

2. 传感器接口：

   • 连接角度传感器（如旋转编码器或霍尔传感器），获取旋转臂的位置信息。
   • 使用ADC读取摆杆角度传感器数据。

3. 电机驱动电路：

   • 选用H桥电机驱动芯片（如L298N），控制电动机A实现正反转和PWM调速。
   • 加入滤波电路，防止对MCU产生电磁干扰。

五、核心器件设计要点

1. STM32 MCU：

   • 足够的处理速度和外设接口（ADC、PWM、I2C、SPI等），稳定运行实时控制算法。

2. 角度传感器：

   • 高精度旋转编码器，测速与角度检测进行PID闭环控制。

3. H桥驱动芯片：

   • L298N或类似的高效电机驱动模块，提供足够的电流和电压以控制电动机A。

重要功能的C代码

• MCU控制倒立摆平衡

#include "stm32f4xx.h"

#define TARGET_ANGLE 0 // 0度为平衡目标
#define MAX_PWM 1000   // PWM最大值
#define KP 2.0         // 比例系数
#define KI 1.0         // 积分系数
#define KD 0.5         // 微分系数

volatile int16_t current_angle = 0;

// PID控制变量
volatile float integral = 0;
volatile float previous_error = 0;

void init_system() {
    // 初始化代码
    // 初始化传感器，电机驱动，串口等
}

int16_t read_angle() {
    // 读取角度传感器的数据
    // 假设用ADC读取模拟量然后转换为角度
}

void set_motor_pwm(int16_t pwm_value) {
    // 设置电机PWM值
    // 根据需要选择正反转控制
}

void update_control() {
    float error = TARGET_ANGLE - current_angle;
    integral += error;
    float derivative = error - previous_error;
    float output = KP * error + KI * integral + KD * derivative;
    previous_error = error;

    int16_t pwm_value = (int16_t)(output);

    if (pwm_value > MAX_PWM) pwm_value = MAX_PWM;
    if (pwm_value < -MAX_PWM) pwm_value = -MAX_PWM;

    set_motor_pwm(pwm_value);
}

void main() {
    init_system();
    while (1) {
        current_angle = read_angle();
        update_control();
    }
}

FPGA控制倒立摆平衡，假设FPGA用于实现倒立摆控制任务，以下是简化的Verilog代码示例：

module pid_controller(
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire [15:0] current_angle,
    output reg [15:0] motor_pwm
);

parameter TARGET_ANGLE = 16'd0;
parameter MAX_PWM = 16'd1000;
parameter KP = 16'd2;
parameter KI = 16'd1;
parameter KD = 16'd0.5;

reg signed [15:0] error, previous_error;
reg signed [31:0] integral;
reg signed [15:0] derivative;
reg signed [31:0] output;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        error <= 16'd0;
        previous_error <= 16'd0;
        integral <= 32'd0;
        output <= 32'd0;
    end else begin
        error <= TARGET_ANGLE - current_angle;
        integral <= integral + error;
        derivative <= error - previous_error;
        output <= KP * error + KI * integral + KD * derivative;
        previous_error <= error;
        
        if (output > MAX_PWM) motor_pwm <= MAX_PWM;
        else if (output < -MAX_PWM) motor_pwm <= -MAX_PWM;
        else motor_pwm <= output;
    end
end

endmodule

本题考察的知识点

• 逆向摆和姿态控制系统的设计与实现。
• PID控制算法的应用与实现。
• 传感器数据采集（角度传感器）的实时处理。
• 电机驱动电路设计与PWM控制。
• MCU或FPGA的实时控制程序开发。
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