//  ipend06_sample.c		2010/3/12
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include "sbox.h"		// sBOXライブラリヘッダファイル

//	諸定数の定義
#define CONV	3276.7		// AD/DAデータ（整数）--電圧[V]間の変換係数　データ/CONV=電圧[V]
#define DAMAX 4			// DAのチャンネル数
#define ADMAX 8			// ADのチャンネル数
#define SAMP_FREQ 1000.		// サンプリング周波数[Hz]
#define DATA_NUM_MAX 1601	// 実験データの記録長
#define DATA_SAMP 10		// DATA_SAMPサンプル毎に実験データを記録
#define Comp 1.85		// 駆動系の不感帯補償のためのオフセット電圧[V]
#define T0 0.1			// 駆動系の1次遅れ補償の時定数[s]
#define K0 1.0			// 〃　ゲイン
#define Td 0.01			// 近似微分器の時定数[s]
#define Fv 0.5			// 駆動系の速度フィードバック補償のゲイン
#define T0_actual 0.1		// 補償後の駆動系の実際の時定数[s]
#define K0_actual 1.		// 〃　ゲイン
#define C_r 0.0418879		// 台車のポテンショメータの電圧[V]--変位[m]間の変換係数　pi*0.032[m]*10[rev]/24[V]
#define C_th 0.3010693 		// 振子のポテンショメータの電圧[V]--角度[rad]間の変換係数 345[degree]*pi/180/20[V]  [rad/V]
#define pi 3.1416		// 円周率
#define g 9.80665		// 重力加速度[m/s/s]
#define omega 2.		// 矩形波入力の角周波数[rad/s]

//	大域変数の定義．割り込み関数内で再利用する変数はvolatile宣言する．
volatile int counter1=0;		// DATA_SAMP毎に0にセットするカウンター
volatile long datanum=0;		// データ番号	
volatile double r0;			// 台車の初期値[V]
volatile double a;			// 台車の振幅制限[m]
volatile double t=0.;			// 時間[s]
volatile double dt=1./SAMP_FREQ;	// サンプリング周期[s]
volatile double x_d=0.;			// 近似微分要素の状態
volatile double x_f=0.;			// 1次遅れ補償要素の状態
volatile double exp_data[5][1610];	// 実験データ
volatile double th0up;			// 振子角の初期値（倒立状態）[V]
volatile double ks;			// 飽和制御のパラメータ
volatile double f[5];			// 〃
volatile double T;			// 補償後の台車系の時定数[s]
volatile double a0[5][5],b0[5],c0[3][5],ko[5][3],ao[5][5],xh[5];	// オブザーバ用変数
volatile int cart_limit=0;		// 台車が許容範囲外であれば1


double sgn(zz)				// 符号関数の定義
double zz;
{
	double x=1;
	if (zz<0) x=-1;
	if (zz==0) x=0;
	return(x);
}

double sat(zz,aa)			// 飽和関数の定義
double zz,aa;
{
	double x;
	x=zz;
	if(fabs(x)>aa) x=aa*sgn(x);
	return(x);  
}

/************************************************************************
		割り込み関数（ここに制御則を記述する）
*************************************************************************/
interrupt void c_int02()
{

	int V_dir,V_abs;			// ローカル変数の定義
	double r,th,ur,ur1,dr,ur_v,mu,v;
	double s4x;
	double dxh[5],y[3];

	r=(double)sbox_AdGet(0)/CONV-r0;		// 台車位置[V]（初期値を0とする）
	th=C_th*((double)sbox_AdGet(1)/CONV-th0up);	// 振子角[rad]（倒立状態を0とする）
	
	y[1]=C_r*r;					// 出力
	y[2]=th;

	if(fabs(r+r0)>3.5)				// 台車は許容範囲外か
		cart_limit=1;

	x_d+=(r-x_d)*dt/Td;				// rの近似微分drの計算
	dr=(r-x_d)/Td;

	s4x=f[1]*y[1]+f[2]*xh[2]+f[3]*y[2]+f[4]*xh[4];
	v=-sat(ks*s4x,a);					// 飽和制御
//	v = a*sgn(sin(omega*t));				// 矩形波入力テストの場合この行を有効にする．

	mu = -1./(T*T)*C_r*r-2./T*C_r*dr+v/(T*T);		// 制御入力mu
	ur = (T0_actual*mu+C_r*dr)/(C_r*K0_actual);		// 補償された駆動系への入力

	// オブザーバの計算
	dxh[1]=(ao[1][1]*xh[1]+ao[1][2]*xh[2]+ao[1][3]*xh[3]+ao[1][4]*xh[4]
			+ko[1][1]*y[1]+ko[1][2]*y[2]+b0[1]*v)*dt;
	dxh[2]=(ao[2][1]*xh[1]+ao[2][2]*xh[2]+ao[2][3]*xh[3]+ao[2][4]*xh[4]
			+ko[2][1]*y[1]+ko[2][2]*y[2]+b0[2]*v)*dt;
	dxh[3]=(ao[3][1]*xh[1]+ao[3][2]*xh[2]+ao[3][3]*xh[3]+ao[3][4]*xh[4]
			+ko[3][1]*y[1]+ko[3][2]*y[2]+b0[3]*v)*dt;
	dxh[4]=(ao[4][1]*xh[1]+ao[4][2]*xh[2]+ao[4][3]*xh[3]+ao[4][4]*xh[4]
			+ko[4][1]*y[1]+ko[4][2]*y[2]+b0[4]*v)*dt;
	xh[1]+=dxh[1];
	xh[2]+=dxh[2];
	xh[3]+=dxh[3];
	xh[4]+=dxh[4];

	x_f+=(K0*ur-x_f)*dt/T0;					// 1次遅れフィルタ
	ur1=Fv*(x_f-dr);					// 駆動系の速度フィードバック補償

	V_dir=(int)(5.0*CONV);					// ドライバへの回転方向指令電圧．5Vで正回転，0Vで逆回転．
	if(ur1<0.0) 
		V_dir=(int)(0.0*CONV);
		
	ur_v=sat(fabs(ur1)+Comp,5.0);				// ドライバへの速度指令電圧（5V以下）．Compは不感帯補償のための一定電圧．
	V_abs=(int)(ur_v*CONV);					// ur_vのDA出力への変換

	if(datanum>=DATA_NUM_MAX-1){				// 終了処理
		V_abs=0;
		V_dir=0;
	}

	if(cart_limit==1){					// 終了処理
		V_abs=0;
		V_dir=0;
	}

	sbox_DaPut( 0, V_abs);					// 速度指令電圧をDA0チャンネルへ出力
	sbox_DaPut( 1, V_dir);					// 回転方向指令電圧をDA1チャンネルへ出力

	if(counter1==DATA_SAMP){				// 指定サンプリング毎に実験結果を記録
		if(datanum<DATA_NUM_MAX){
			exp_data[1][datanum]=r*C_r;		// 台車の位置[m]
			exp_data[2][datanum]=xh[2];		// 台車速度の推定値[m/s]
			exp_data[3][datanum]=th;		// 振子角[rad]
			exp_data[4][datanum]=ur_v;		// ドライバへの速度指令電圧[V]
		}
		datanum++;
		counter1=0;
	}
	++counter1;
	t+=dt;							// 時間軸の計算

}

/*********************************************************************************
		main function（ここからプログラムが実行される）
**********************************************************************************/
void main()
{
	int i,j,k,cont_start;			// ローカル変数の定義
	double a41,a42,a43,b4;
	FILE *fp1;				// 実験データ出力用ファイル

	printf("Enter a[m] ");			// 台車の振幅制限．（例 a=0.15）
	scanf("%lf",&a);
	if(fabs(a)>0.2)
		a=0.2;				// aの上限を0.2[m]とする．

	T=0.12;					//補償後の台車系の時定数[s]

						// 倒立振子の状態方程式のA,B,C行列
	for(i=1;i<=4;i++){
		b0[i]=0.;
		for(j=1;j<=2;j++)
			c0[j][i]=0.;
	}
	
	for(i=1;i<=4;i++)
		for(j=1;j<=4;j++)
			a0[i][j]=0.;
			
    	a41=198.69992;
	a42=47.687981;
	a43=28.05956;
	b4= - 198.69992;

	a0[1][2]=1.;
	a0[2][1]=-1./T/T; a0[2][2]=-2./T;
	a0[3][4]=1.;
	a0[4][1]=a41; a0[4][2]=a42; a0[4][3]=a43;
	b0[2]=1./T/T;
	b0[4]=b4;
	c0[1][1]=1.;
	c0[2][3]=1.;

	ko[1][1]=83.333333;	ko[1][2]=0.;	// オブザーバゲイン（すべての極を-50に配置）
	ko[2][1]=1041.6667;	ko[2][2]=0.;
	ko[3][1]=- 35.751685; ko[3][2]=100.;
	ko[4][1]=0.7150337; ko[4][2]=2528.0596;
 
	for(i=1;i<=4;i++)			// オブザーバの行列
		for(j=1;j<=4;j++){
			ao[i][j]=a0[i][j];
			for(k=1;k<=2;k++)
				ao[i][j]-=ko[i][k]*c0[k][j];
	}
	
	for(i=1;i<=4;i++)			// オブザーバの状態をすべて0にする。
		xh[i]=0.0;

	f[1]=- 2.;            			// 状態フィードバックゲイン
	f[2]=- 0.8575631;
	f[3]=- 1.8700507;
	f[4]=- 0.3530311;

	printf("Enter ks>0 ");			// 設計パラメータ．-ksは閉ループ極の一つとなる．（例 ks=1.）
	scanf("%lf",&ks);

	printf("start=1, stop=0 ");		// 1で制御開始．1以外の整数で制御中止
	scanf("%d",&cont_start);
	if(cont_start!=1)
		exit(-1);

	sbox_Init();				// システムの設定

	if(0 != sbox_AdTrgSet( TRG_SOFT ))	// ソフトでのADトリガ設定
		exit( -1 );

	while( sbox_AdDone() != 1 );		// AD変換終了まで待つ．

	r0 = (double)sbox_AdGet(0)/CONV;	// 台車の初期値[V]
	th0up = 0.057070;			// 予め正確に測定した倒立状態の振子用ポテンショメータの電圧[V]（これがずれていると台車位置が偏る）

	if( 0 != sbox_AdTrgSet( TRG_TIMER0 ) ) 			// ADの設定
		exit( -1 );

	if( 0 != sbox_IntSet( AD_DONE, EINT4, c_int02 ) ) 	// ADの割り込み設定
		exit( -1 );
	
	sbox_DaCtrl( ON );					// DAの設定
	if( 0 != sbox_DaTrgSet( TRG_TIMER0 )) 
		exit( -1 );

	clock_set( SAMP_FREQ, TIMER_0 );		// 内部クロックの周波数設定と出力開始

	while(1)
		if(datanum==DATA_NUM_MAX){
			clock_stop(TIMER_0);		// 内部クロック出力の停止
			break;
		}

	printf("end of control\n");
	printf("th0up = %f\n",th0up);

	fp1=fopen("data1.txt","w");			// 記録した実験データのファイルへの書き込み
	for(i=0;i<DATA_NUM_MAX;i++)
		exp_data[0][i]=DATA_SAMP*dt*(i);	// 時間軸
	for(i=0;i<DATA_NUM_MAX;++i){
		fprintf(fp1,"%f %f %f %f %f\n",
		exp_data[0][i],exp_data[1][i],exp_data[2][i],exp_data[3][i],exp_data[4][i]); 
	}
	fclose(fp1);
	printf("end of writing\n");
}