【硕士论文】基于PLC的单级倒立摆控制系统的设计及实现.pdf

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1、武汉大学硕士学位论文基于PLC的单级倒立摆控制系统的设计及实现姓名：文剑波申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：潘笑20050428摘要倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、严重不稳定和强耦合的非线性系统。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其研究具有重大的理论和实践意义。但是倒立摆系统以其自身的不稳定性为系统平衡提出了难题，也因此成为自动控制中验证控制算法优劣的极好的实验装置。本文提出了一种倒立摆PLC控制系统的方案，并就PID控制、状态空间法、模糊控制等三种控制方法对其进行了控制研究。本文的第二章分别用经典控制理论和现代控

2、制理论的知识推导了一级倒立摆系统的数学模型。第三章中分别使用模糊控制理论、状态空间法、模糊控制等方法对单级倒立摆系统进行了实际系统实时控制效果的实验对比，从理论和实验方法上讨论了这类典型非线性自不稳定系统的线性控制器的设计方法及其实际控制效果的特点。第四章提出了倒立摆控制系统各部分选型及实现方案，设计了倒立摆系统的机械结构。采用步进电机以达到精确的位置控制，并通过皮带驱动小车，再以增量式旋转编码器采集摆杆角度信号。第五章以PLC为控制器，设计了倒立摆的计算机控制系统。其中包括控制程序的编制及同步跟踪的实现。本文采用不需要精确数学模型的模糊控制方法取得了较好的效果，为

3、今后在同类控制问题中的设计提供了有益的参考。第六章对倒立摆系统进行了整体实验，分析了PLC控制倒立摆的可行性，并提出了几点改进意见，为今后的工作指明了方向。关键词：倒立摆、模糊控制、PID控制、步进电机、光电编码器ABSTRACTInverted-pendulumsystemisatypicalhigh-ra】[1】(、multi—variableandseriousinstablenonlinearsystem．Atthesanletime，Inverted-pendulumsystemisdifficulttocontrolbecauseitsinstabili

4、ty．Itbecomesthewonderfulexperimentdevicetoverifyhowaboutthecontrolstrategyinautomaticcontrolexperiments．ThisPaperprovidesanewdesignofinvertedpendulumsystemcontrolledbyPLCandaninvestigationbythecontrollingmethodofPID、StateSpaceandFuzzyContr01．Inchapter2，WebuildinvertedPendulummathematic

5、almodelwithclassicalandmodemcontroltheory．Inchapter3，wecomparetheactualreal·timeexperimentcontrolresultsofthesingleInverted-pendulumsystemwiththeFuzzycontrolmethod，StateSpacemethod，andFuzzyControlmethod．Thelinearcontrollerdesignmethodsinthisrepresentativenonlinearinstabilitysystemaredi

6、scussedthroughtheoriesandpracticalexpenments．WeputforwardanewdesignoftheinvertedPendulumonacarriageinchapter4andlayontit'smechanical．Weusestepelcctromotortogaintheprecisepositioncontrollingandthroughabelttodrivethecarriage．TheanglesofPendulumareobtainedbyIncrementalPhoto-electricityEnc

7、oder．Inchapter5，WedesignthecomputercontrollingsystemoftheinvertedpendulumusingPLC．Thisincludesthecontrollingprogramandsynchronoustracing．Fuzzycontrolneedn’tprecisemathematicalmodels．Weuseitandobtaingoodresults，ItProvidesafinereferenceforthesimilarcontrollingProNems．Wetestthewholesyst