倒立摆系统方案书实验设计报告

《倒立摆系统方案书实验设计报告》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、学生实验报告课程名称:倒立摆系统课程设计组号：7姓名：学号：邮箱：2010年11月111日目录倒立摆系统的构成3单级倒立摆数学模型的建立3传递函数6状态空间方程6系统Matlab仿真和开环响应7稳定性与可控性分析11控制器设计12基于状态反馈的控制算法设计与仿真LQR12极点配置法16PID控制算法19实验结果及与仿真结果的对比分析29感想和建议30倒立摆系统的构成图1倒立摆系统的组成框图如图1所示为倒立摆的结构图。系统包括计算机、运动控制卡、伺服机构、倒立摆本体和光电码盘几大部分，组成了一个闭环系统。光电码盘1将小车的位移、速度信号反馈给伺服

2、驱动器和运动控制卡，摆杆的位置、速度信号由光电码盘2反馈回控制卡。计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策（小车向哪个方向移动、移动速度、加速度等），并由运动控制卡来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，带动小车运动，保持摆杆平衡。单级倒立摆数学模型的建立在忽略了空气流动，各种摩擦之后，可将倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如下图2所示图2单级倒立摆模型示意图那我们在本实验中定义如下变量：M小车质量（本实验系统0.5Kg）m摆杆质量（本实验系统0.2Kg）b小车摩擦系数（本实验系统0.1N/m/sec）l摆杆转动轴心到杆质心

3、的长度（0.3m）I摆杆惯量（0.006kg*m*m）F加在小车上的力x小车位置φ摆杆与垂直向上方向的夹角θ摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下）下面我们对这个系统作一下受力分析。下图3是系统中小车和摆杆的受力分析图。其中，和为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。注意：在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已经完全确定，因而矢量方向定义如图，图示方向为矢量正方向。图3倒立摆模型受力分析分析小车水平方向所受的合力，可以得到等式：应用Newton方法来建立系统的动力学方程过程如下：分析小车水平方向所受的合力，可以得到以

4、下方程：由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：即把这个等式代入上式中，就得到系统的第一个运动方程：（1）为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：力矩平衡方程如下：注意：此方程中力矩的方向，由于，故等式前面有负号。合并这两个方程，约去和，由得到第二个运动方程：（2）设（是摆杆与垂直向上方向之间的夹角），假设与1（单位是弧度）相比很小，即《1，则可以进行近似处理：，，。用来代表被控对象的输入力，线性化后两个运动方程如下：（3）传递函数对方程组(3)进行拉普拉斯变换，得到（4）注意：推导传递函数时假

5、设初始条件为0。由于输出为角度，求解方程组（4）的第一个方程，可以得到把上式代入方程组（4）的第二个方程，得到整理后得到传递函数：其中状态空间方程系统状态空间方程为方程组（3）对解代数方程，得到解如下：整理后得到系统状态空间方程：系统Matlab仿真和开环响应实际系统参数如下，求系统的传递函数、状态空间方程，并进行脉冲响应和阶跃响应的Matlab仿真。M小车质量1.096Kgm摆杆质量0.109Kgb小车摩擦系数0.1N/m/secl摆杆转动轴心到杆质心的长度0.25mI摆杆惯量0.0034kg*m*mF加在小车上的力x小车位置θ摆杆与垂直方向

6、的夹角T采样频率0.005秒注意：在进行实际系统的Matlab仿真时，请将采样频率改为实际系统的采样频率。传递函数：在Matlab中，拉普拉斯变换后得到的传递函数可以通过计算并输入分子和分母矩阵来实现。求系统传递函数的m-文件内容如下：M=1.096;m=0.109;b=0.1;I=0.0034;g=9.8;l=0.25;q=(M+m)*(I+m*l^2)-(m*l)^2;%simplifiesinputnum=[m*l/q0]den=[1b*(I+m*l^2)/q-(M+m)*m*g*l/q-b*m*g*l/q]t=0:0.01:5;impu

7、lse(num,den,t)axis([01.1070])执行上面的文件，就可以求出系统传递函数的分子与分母多项式的Matlab表示：num=2.35660den=1.00000.0883-27.8285-2.3094可以得到系统开环脉冲响应的曲线如下：图4系统开环脉冲响应曲线状态空间法：状态空间法可以进行单输入多输出系统设计，(从实验二开始，我们将尝试同时对摆杆角度和小车位置进行控制)。为了更具挑战性，给小车一个阶跃输入信号，设计指标如下：l小车位置x和摆杆角度θ的稳定时间小于5秒；l位置x的上升时间小于0.5秒；l摆杆角度的超调量小于20度

8、（0.35弧度）。下面，我们用Matlab求出系统的状态空间方程各矩阵，并仿真系统的开环阶跃响应。在这里同样给出了一个m-文件，执行这个文件，Matl