本科毕业论文--二级倒立摆

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1、河南科技大学毕业论文前言倒立摆系统是理想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位的满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度、和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观的表现出来。倒立摆系统具有模块性好和品种多样化的优点，其基本模块既可是一维直线运动平台或旋转运动平台，也可以是两维运动平台。通过增加角度传感器和一节倒立摆杆，可构成直线单节倒立摆、旋转单节倒立摆或两维单节倒立摆；通过增加两节倒立摆杆和相应的传感器，则可构成两节直线倒立摆和两节旋转倒立摆。倒立摆的控制技巧和杂技运动员倒立平衡表演技巧有异曲同工之处，极富趣味性。学习自动控制课程的学生通过使

2、用它来验证所学的控制理论和算法，加深对所学课程的理解。由于倒立摆系统机械结构简单，易于设计和制造，成本低廉，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为必备的控制教学设备。同时由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法，相关的成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。因此，倒立摆系统也是进行控制理论研究的理想平台。本设计对经典的二级倒立摆系统进行数学建模、控制设计和系统仿真。二级倒立摆系统数学建模中，利用拉格朗日方程来建立倒立摆运动学方程，在进行线性化之后得到系统理想状态的数学方

3、程。控制设计是采用的线性最优控制，设计时使在无限时间上的系统的性能泛函取最小值，而得到最优反馈系数向量K，实现最优控制。在系统仿真中，使用Matlab控制系统设计工具箱中的专用函数计算系统特征值和最优反馈系数K，并进行系统仿真，得到系统的响应曲线。64河南科技大学毕业论文第一章倒立摆控制系统组成、§1.1倒立摆本体一.倒立摆本体主要由以下几个部分组成：l基座图1-1倒立摆本体l直流伺服电机l同步带l带轮l滑竿l摆杆l角编码器l限位开关图1-2电气控制箱二.电控箱内安装有如下主要部件：l直流伺服驱动器lI/O接口板l开关电源l开关、指示灯等电气元件64河南科技大学毕业论文三.控制平

4、台主要由以下部分组成：l与IBMPC/AT机兼容的PC机（公司不提供），带PCI/ISA总线插槽lGT400-SV-PCI、GM400运动控制卡lGT400-SV-PCI、GM400运动控制卡用户接口软件l演示实验软件§1.2GT-400-SV四轴运动控制器简介一.引言GT-400-SV四轴运动控制器的核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成。它适用于广泛的应用领域，包括机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配线、电子加工设备等。GT-400-SV运动控制器以IBM-PC为主机，提供标准的ISA总线和PCI总线。同时提供RS232串行通讯和PC104通讯接口，方便用户

5、配置系统硬件。该运动控制器提供C语言函数库实现复杂的控制功能，用户能够将这些控制函数灵活地与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等部分集成在一起，建造符合特定应用要求的控制系统,以适应各种应用对象的要求。使用该运动控制器，要求使用者必须具有C语言编程（在Windows环境下使用动态连接库）的经验。IBMPC-AT计算机GT-400-SV将四轴电机控制集成在同一运动控制器上，具有功能强、性能高、价格低、使用方便的特点，适用于模拟量控制及脉冲控制的交流或直流伺服电机、步进电机等多种控制场合。采用该运动控制器进行控制时，用户需要一台IBM-PC64河南科技大学毕业论文或其兼容

6、机、一套运动控制器及配套的连接电缆和接口端子板、电机及驱动器和外部接口电源等硬件。这些部件之间的典型连接如图1.3所示。图1.3采用四轴运动控制器组成的控制系统框图PC机通过主机通讯接口与GT-400-SV运动控制器交换信息。包括向运动控制器发出运动控制指令，并通过该接口获取运动控制器的当前状态和相关控制参数。运动控制器完成实时轨迹规划、位置闭环伺服控制、主机命令处理和控制器I/O管理。运动控制器通过编码器接口，获得运动位置反馈信息，通过四路模拟电压输出（或脉冲输出）接口控制伺服电机实现主机要求的运动。运动控制器还提供八路限位开关（每轴二路）输入，四路原点开关（每轴一路）输入，四

7、路伺服电机驱动器报警信号（每轴一路）输入，四路伺服电机驱动器使能信号（每轴一路）输出，四路伺服电机驱动器复位信号（每轴一路）输出以及十六路通用数字量输出接口、十六路通用数字量输入接口。实现复杂灵活的运动控制。3.2GT-400-SV技术指标GT-400-SV四轴运动控制器提供的主要功能有：64河南科技大学毕业论文控制功能l看门狗实时监测DSP的工作状态。l基于坐标系编程的连续轨迹控制，可实现空间直线、圆弧插补运动。l提供程序缓冲区，实现运动轨迹预处理，以获得高质量的运动控制，并降