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研究生: 黃建琛
Huang, Jian-Chen
論文名稱: 控制力矩陀螺致動倒單擺系統之平衡控制
Balance Control of the Inverted Pendulum System Actuated by a Control Moment Gyroscope
指導教授: 何明字
Ho, Ming-Tzu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 144
中文關鍵詞: 控制力矩陀螺倒單擺
外文關鍵詞: control moment gyroscope, inverted pendulum
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  • 本論文旨在研究控制力矩陀螺致動器,此致動器擁有較小的體積卻可產生較大之轉矩,為了瞭解控制力矩陀螺致動器之動態及產生之力矩,本論文架設一倒單擺系統,將控制力矩陀螺做為倒單擺平衡控制的致動器。系統先以Euler-Lagrange方法建立控制力矩陀螺致動倒單擺動態數學模型,接著使用物理建模軟體MapleSim建構系統模型,此軟體可以將所建構出的系統模型轉換出數學動態模型用以驗證所推導出的數學動態方程式之正確性,並將所設計出LQR平衡控制器加入MapleSim所建構之系統模型進行模擬評估控制系統的可行性。在實作上,本系統使用德州儀器公司(Texas Instrument, TI)所生產的數位訊號處理器TMS320F2812做為控制核心並使用C語言撰寫控制器程式以實現整個控制系統,經模擬及實作顯示控制力矩陀螺可使倒單擺平衡且能承受較大的擾動。

      The objective of the thesis is to study the actuator of control moment gyros. This actuator has a compact size and can generate large torque. In order to understand the dynamics of the control moment gyro actuator, this thesis consider the problem of controlling an inverted pendulum actuated by the control moment gyros. In this thesis, the Euler-Lagrange method is used to derive the dynamic model of the system. The balance controller design is based on the LQR control theory. MapleSim is used to design and simulate the control system. In the experiment, the control law is implemented through a digital signal processor (TMS320F2812) and the optical encoders are used to provide feedback signals. The effectiveness of the control system is verified through simulation and experimental studies. The experimental results show that the system performs well.

    目錄 頁次 摘要 I Extended Abstract II 誌謝 VII 目錄 VIII 圖目錄 XI 表目錄 XVII 第一章 緒論 1-1 研究背景 1-1 1-2 研究動機及目的 1-1 1-3 研究步驟 1-4 1-4 相關文獻回顧 1-7 1-5 論文結構 1-10 第二章 控制力矩陀螺致動倒單擺系統數學模型 2-1 前言 2-1 2-2 控制力矩陀螺致動器 2-2   2-2-1在固定及平移-旋轉座標系統中向量時間導數 2-2 2-2-2 旋轉運動方程式 2-5   2-2-3 陀螺運動方程式 2-7   2-2-4 控制力矩陀螺致動器 2-9 2-3 單控制力矩陀螺致動倒單擺系統數學模型之建立 2-11 2-4 雙控制力矩陀螺致動倒單系統擺數學模型 2-22 第三章 平衡控制器設計與模擬結果 3-1 前言 3-1 3-2 使用MapleSim建構控制力矩陀螺致動倒單擺系統模型 3-1 3-3 單控制力矩陀螺致動導單擺平衡控制器設計與模擬 3-4 3-4 雙控制力矩陀螺致動導單擺平衡控制器設計與模擬 3-13 3-5 控制力矩陀螺致動倒單擺自轉軸可控性分析 3-24 第四章 控制力矩陀螺致動倒單擺系統機構設計與製作 4-1 前言 4-1 4-2 控制力矩陀螺致動倒單擺系統機構設計與製作 4-2 4-3 角度感測器 4-8 第五章 外部硬體電路介紹 5-1 前言 5-1 5-2 控制核心晶片與模組 5-1 5-3 FPGA數位邏輯模組 5-2 5-4 直流無刷馬達驅動電路 5-4 5-5 直流無有刷馬達PWM驅動電路 5-6 第六章 實驗結果 6-1 前言 6-1 6-2 系統程式流程及整體控制系統架構 6-1 6-3 單控制力矩陀螺致動倒單擺平衡控制實現 6-3 6-4 雙控制力矩陀螺致動倒單擺平衡控制實現 6-9 第七章 結論與未來展望 7-1 結論 7-1 7-2 未來展望 7-1 參考文獻 Ref-1 附錄 A-1

    參考文獻
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    下載圖示 校內:2019-09-02公開
    校外:2021-09-01公開
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