大学课程设计-直线一级倒立摆控制系统设计

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1、内蒙古科技大学课程设计摘要倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、不稳定系统，对倒立摆的控制研究无论在理论上和方法上都有深远的意义。本论文以实验室原有的直线一级倒立摆实验装置为平台，重点研究其PID控制方法，设计出相应的PID控制器，并将控制过程在MATLAB上加以仿真。本文主要研究内容是：首先概述自动控制的发展和倒立摆系统研究的现状；介绍倒立摆系统硬件组成，对单级倒立摆模型进行建模，并分析其稳定性；研究倒立摆系统的几种控制策略，分别设计了相应的控制器，以MATLAB为基础，做了大量的仿真研究，比较了各种控制方法的效果；借助固高科技MATLAB实

2、时控制软件实验平台；利用设计的控制方法对单级倒立摆系统进行实时控制，通过在线调整参数和突加干扰等，研究其实时性和抗千扰等性能；对本论文进行总结，对下一步研究作一些展望。关键词：一级倒立摆，PID，MATLAB仿真II内蒙古科技大学课程设计目录第1章MATLAB仿真软件的应用91.1MATLAB的基本介绍91.2MATLAB的仿真91.3控制系统的动态仿真101.4小结12第2章直线一级倒立摆系统及其数学模型132.1系统组成132.1.1倒立摆的组成142.1.2电控箱142.1.3其它部件图142.1.4倒立摆特性152.2模型的建立152.2.1

3、微分方程的推导162.2.2传递函数172.2.3状态空间结构方程182.2.4实际系统模型202.2.5采用MATLAB语句形式进行仿真21第3章直线一级倒立摆的PID控制器设计与调节343.1PID控制器的设计343.2PID控制器设计MATLAB仿真36结论41致谢42参考文献43II内蒙古科技大学课程设计25内蒙古科技大学课程设计25内蒙古科技大学课程设计第1章MATLAB仿真软件的应用1.1MATLAB的基本介绍MTALAB系统由五个主要部分组成，下面分别加以介绍。(1)MATALB语言体系：MATLAB是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控

4、制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。(2)MATLAB工作环境：这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。(3)图形句相系统：这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工

5、具。(4)MATLAB数学函数库：这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。(5)MATLAB应用程序接口(API)：这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。可以看出MATLAB是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。除此之外，MA丁LAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的

6、任务。MATLAB有几种在不同电脑作业系统的版本，例如在视窗3.1上的MATLABforWindows,SIMULINK，在麦金塔上的MATLABforMacintch，另外还有在Unix上的各种工作站版本。基本上这些版本主要是提供方便的操作环境，采用图形介面[6]。1.2MATLAB的仿真工具SIMULINKMATLAB的SIMULINK子库是一个建模、分析各种物理和数学系统的软件。由于在WINDOWS界面下工作,所以对控制系统的方块图编辑、绘制很方便。MATLAB命令窗口启动SIMULINK程序后,出现的界面如下。分别为信号源、输出、离散系统库、

7、线性系统库、非线性系统库、系统连接及扩展系统。下面分别介绍:25内蒙古科技大学课程设计（1）信号源程序提供了八种信号源,分别为阶跃信号、正弦波信号、白噪声、时钟、常值信号、文件、信号发生器等可直接使用。而信号发生器(singalgein)可产生正弦波、方波、锯齿波、随机信号等。（2）信号输出程序提供了三种输出方式,可将仿真结果通过三种方式之一如仿真窗口、文件等形式输出。（3）离散系统程序提供了五种标准模式,延迟、零-极点、滤波器、传递函数、状态空间等。并且每种标准模式都可方便地改变参数以符合被仿真系统。（4）线性系统程序提供了七种标准模式,加法器、比

8、例、积分器、微分、传递函数、零-极点、状态空间等。同离散系统一样,每种标准模式都可方便地改变参数以符合被仿真