自动控制实验报告——球杆系统 倒立摆 bupt

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1、球杆系统实验实验一小球位置的数据采集处理一、实验目的：学会用Simulink仿真与硬件连接并获得小球位置。二、实验任务：1、在MatLabSimulink中通过添加功能模块完成球杆系统模型的建立；2、正确获得小球位置数据；三、实验原理：小球的位置通过电位计的输出电压来检测，它和IPM100的AD转换通道AD5相连，AD5(16位)的范围为0－65535，对应的电压为0－5V，相应的小球位置为0－400mm。MatLabSimulink环境下的数据采集处理工具箱提供了强大的功能。可以编写扩展名为mdl的图形文件，采集小球的位置信号，并进

2、行数字滤波。四、实验设备及仪器：1、球杆系统；2、计算机MATLAB平台；五、实验步骤：将MatLab主窗口的CurrentDirectory文本框设置为球杆控制程序的系统文件夹；在MatLab主窗口点击进入SimulinkLibraryBrower窗口，打开工具箱GoogolEducationProducts4.Ball&BeamA.DataCollectionandFilterDesign，运行DataCollectionandFilterDesign程序，确认串行口COMPort为1后，双击StartRealControl模

3、块，打开数据采集处理程序界面；已有的模块不需再编辑设置，其中NoiseFilter1模块是专门设计的滤波器，用来抑制扰动。请参考以下步骤完成剩余部分：1、添加、设置模块：添加User-DefinedFunctions组中的S-Function模块，双击图标，设置name为AD5；parameters为20.添加MathOperations组中的Gain模块，双击图标，设置Gain为0.4/65535.0.添加Sinks组中的Scope模块，双击图标，打开窗口，点击(Parameters)，设置General页中的Numberofaxe

4、s为2，TimeRange为20000，点击OK退出，示波器屏成双；分别右击双屏，选Axesproperties，设置Y-min为0，Y-max为0.4.2、连接模块：顺序连接AD5、Gain、NoiseFilter1、Scope模块，完成后的程序界面如图所示：图1.1.1完成后的数据采集处理程序界面点击运行程序，双击Scope模块，显示滤波前后的小球位置-时间图，拨动小球在横杆上往返滚动，可得如下实验结果：图1.1.2小球位置的数据采集处理六、实验总结通过这个实验、我学会了球杆系统模型的建立以及小球位置的获取。由实验结果图可以看出，

5、滤波后的波形更清晰，实验效果更好。实验二球杆系统的PID法控制一、实验目的学会用PID控制方法设计数字控制器。二、实验要求1、仿真部分已知线性化球杆系统模型：①假设P控制器KP＝3，阶跃输入幅值=0.2m，编写MATLAB仿真程序，仿真闭环系统的阶跃响应。②假设PD控制器KP=6，KD=6，阶跃输入幅值=0.2m，编写MATLAB仿真程序，仿真闭环系统的阶跃响应。③假设PID控制器KP=10,KI=1,KD=10，阶跃输入幅值=0.2m，编写MATLAB仿真程序，仿真闭环系统的阶跃响应。2、实验部分①P控制实验。②PD控制实验。③PI

6、D控制实验。三、实验设备1、球杆系统；2、计算机MATLAB平台；四、实验原理1、比例控制：是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。在实验中添加P控制器后，系统并不能稳定。改变Kp的值后，系统还是不稳定的，可以看出，对于一个惯性系统，在P控制器作用下，可以使系统保持一个等幅振荡。2、积分控制：积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分

7、（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3、微分控制：微分项能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。五、实验步骤①P控制仿真假设比例增益KP＝3，通过MATLAB命令仿真闭环系统的传递函数。在MATLAB环境下运行文件。阶跃信号的响应如图所示：图1.2.1P控制下的响应可以看出，添加P控制器后，系统并不能稳定。改变Kp的值后，系统还是不稳定的，可

8、以看出，对于一个惯性系统，在P控制器作用下，系统会保持一个等幅振荡。实验i.按下面步骤在MATLABSimulink环境下运行演示程序。图1.2.2系统仿真图ii.将控制器设置为P控制器。iii.设置目标位置为200mm