单级倒立摆控制系统的研究学位论文

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1、单级倒立摆控制系统的研究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，因而对研究具有重大的理论和实践意义。本文详细介绍了单级倒立摆控制系统的整体控制方案，包括机理建模、系统仿真、实际电路组成、程序流程等。考虑倒立摆系统的特点，采用双闭环的串级控制系统，并加入常规PID控制。经过Simulink仿真测试，加入PID控制后，系统性能明显改善，具有良好的动静态品质。关键词倒立摆;PID控制;Simulink;电机.ResearchOnSingleLinkLinearInvertedPendulumSystemABST

2、RACTInvertedpendulumsystemisatypicalhigh-rank,muti-variableandseriousunstablenonlinearsystem.Atthesametime,Invertedpendulumsystemisdifficulttocontrolbecauseitsinstability.Thispaperprovideswholecontrolmethodforsinglelinklinearinvertedpendulumsystem,includingmathematicalmodel,systemsimulation,circuita

3、ndsoon.Consideringpendulumsystem’scharacteristic,itusesPIDcontrolmethod.Inthesystem.TheresultsuggeststhatPIDcontrolisbeneficialtothesystem.KEYWORDSinvertedpendulum;PIDcontrol;Simulink;motor.目录1应用背景12工艺要求13控制方案构思与制定14控制机理说明24.1符号说明24.2系统模型建立24.3控制机理描述45系统硬件组成46系统结构图57控制算法选择58控制程序流程图69参数调试与动态性能仿真7参考文献

4、881应用背景倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。倒立摆的最初研究开始于二十世纪50年代，麻省理工学院(MIT)的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。倒立摆的研究不仅有深刻的理论意义，还有重要的工程背景。一阶倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量和不稳定

5、系统。通过都对它的研究不仅可以解决控制中的理论和技术实现问题，还能将控制理论涉及的主要基础学科：力学、数学和计算机科学进行有机的综合应用。其控制方法和思路无论对理论或实际的过程控制都有很好的启迪。在多种控制理论与方法的研究与应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的实验问题，通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。2工艺要求(1)实现对单级直线型倒立摆系统的控制，要求系统超调小、响应快、稳态误差小。(

6、2)摆杆起摆后能按照设定值平稳、快速、准确地达到平衡位置；并且在一定的范围内系统能克服扰动，使摆杆平稳、快速、准确地恢复到平衡位置。3控制方案构思与制定单级直线型倒立摆系统模型如图所示：图1单级直线型倒立摆系统模型8控制方案构思如下：被控制变量：根据工艺要求要让摆杆保持倒立，最能反映工艺要求且有较高灵敏度的变量为摆杆的倾角，并且倾角有相应的角度传感器对其进行测量。因此将摆杆倾角作为被控变量。操纵变量：对工艺进行分析，在所有影响被控变量的因素中，小车的加速度对被控变量影响显著且便于控制。因此将小车加速度作为操纵变量，其它因素作为干扰。控制方式：开环系统对于影响被控变量的内外扰动通常不具有抑制能力

7、，系统若采用开环控制，一旦被控变量出现扰动，系统就很难达到工艺要求。考虑系统非自衡的特点，选择闭环控制。执行器：直流电机通过皮带带动小车运动，进而控制倒立摆摆杆的运动。控制器：主控系统完成PID控制功能。检测变送环节：光电编码器，获取电机状态信息，并将信息送到主控系统推算出小车的加速度；角度传感器，获取摆杆倾角信息，并将信息送到主控系统得到摆杆的角度。1控制机理说明1.1符号说明表1符号说明M小车