电气系统综合设计实验--直线一级倒立摆控制系统设计要点详解.doc

电气控制系统设计 ——直线一级倒立摆控制系统设计 学 院 轮机工程学院 班 级 电气1111 姓 名 李杰 学 号 2011125036 姓 名 韩学建 学 号 2011125035 成 绩 指导老师 肖龙海 2014 年 12 月 25 日 小组成员与分工： 韩学建 主要任务：二阶系统建模与性能分析，二阶控制器的设计，二阶系统的数字仿真与调试，二阶系统的实物仿真与调试。二阶状态观测器的数字仿真与调试，二阶状态观测器的实物仿真与调试。 李杰 主要任务：四阶系统建模与性能分析，四阶控制器的设计，四阶系统的数字仿真与调试，四阶系统的实物仿真与调试。四阶状态观测器的数字仿真与调试，四阶状态观测器的实物仿真与调试。 前言 倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统，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。倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。 本报告通过设计二阶、四阶两种倒立摆控制器来加深对实际系统进行建模方法的了解和掌握随动控制系统设计的一般步骤及方法。熟悉倒立摆系统的组成及基本结构并利用MATLAB对系统模型进行仿真，利用学习的控制理论对系统进行控制器的设计，并对系统进行实际控制实验，对实验结果进行观察和分析，研究调节器参数对系统动态性能的影响，非常直观的了解控制器的控制作用。 目录 第一章 设计的目的、任务及要求 1.1 倒立摆系统的基本结构…………………………………………………4 1.2 设计的目的………………………………………………………………4 1.3 设计的基本任务…………………………………………………………4 1.4 设计的要求………………………………………………………………4 1.5 设计的步骤………………………………………………………………5 第二章 一级倒立摆建模及性能分析 2.1 微分方程的推导…………………………………………………………5 2.2 系统的稳定性和能控能观性分析………………………………………11 2.3 二阶的能观性、能控性分析……………………………………………13 2.4 四阶的能观性、能控性分析……………………………………………18 第三章 倒立摆系统二阶控制器、状态观测器的设计与调试 3.1 设计的要求………………………………………………………………22 3.2 极点配置…………………………………………………………………22 3.3 控制器仿真设计与调试…………………………………………………23 3.4 状态观测器仿真设计与调试……………………………………………28 第四章 倒立摆系统四阶控制器、状态观测器的设计与调试 4.1 设计的要求………………………………………………………………26 4.2 极点配置…………………………………………………………………26 4.3 控制器仿真设计与调试…………………………………………………27 4.4 状态观测器仿真设计与调试……………………………………………28 心得体会………………………………………………………………………………31 参考文献………………………………………………………………………………31 第一章 设计的目的、任务及要求 1.1 倒立摆系统的基本结构与工作原理 图1.1 倒立摆系统硬件框图 图1.2 倒立摆系统工作原理框图 倒立摆系统通过计算机、I/O卡、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘反馈测量元件组成一个闭环系统。以直线一级倒立摆为例，其工作原理框图如图2.3所示。 图中光电码盘1由伺服电机自带，小车的位移可以根据该码盘的反馈通过换算获得，速度信号可以通过对位移的差分得到。各个摆杆的角度由光电码盘2测量并直接反馈到I/O卡，而角速度信号可以通过对角度的差分得到。计算机从I/O卡实时读取数据，确定控制决策（电机的输出力矩），并发给I/O卡。I/O卡经过电控箱内部电路产生相应的控制量，驱动电机转动，使小车按控制要求进行运动，以达到控制目的。 实验过程中需要了解倒立摆装置基本结构