MATLAB仿真软件的使用方法及控制系统的调试方法.doc

第1章 PID控制器）的设计方法和用现代控制理论设计控制器（最优控制）的设计方法，掌握MATLAB仿真软件的使用方法及控制系统的调试方法，加深学生对所学课程的理解，培养学生理论联系实际的能力。 本课程设计的被控对象采用固高公司生产的GIP-100-L型一阶倒立摆系统，课程设计包括三方面的内容： （1）建立一阶倒立摆的线性化数学模型； （2）倒立摆系统的PID控制器设计、MATLAB仿真及实物调试； （3）倒立摆系统的最优控制器设计、MATLAB仿真及实物调试。 1.1 实验设备简介 一阶倒立摆系统的结构示意图如图1所示。 图1 一阶倒立摆结构示意图 系统组成框图如图2所示。 图2 一阶倒立摆系统组成框图 系统是由计算机、运动控制卡、伺服机构、倒立摆本体和光电码盘几大部分组成的闭环系统。光电码盘1将小车的位移、速度信号反馈给伺服驱动器和运动控制卡，摆杆的角度、角速度信号由光电码盘2反馈给运动控制卡。计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策（小车运动方向、移动速度、加速度等），并由运动控制卡来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，通过皮带，带动小车运动，保持摆杆平衡。 设计内容 1．建立一阶倒立摆数学模型 在《自动控制理论》课程中，有一章专门讲述控制系统的数学模型的建立方法，并将非线性数学模型在一定条件下化简成线性数学模型，在此以一阶倒立摆为例，建立其数学模型，并在摆角附近将其非线性数学模型线性化，学生通过实际数学模型的推导，加深对所学内容的理解。 2. 控制系统的MATLAB仿真 《自动控制理论》（古典部分）中所讲的控制器的设计方法很多，如根轨迹设计法、频率特性设计法和PID设计法，在实际系统中PID控制器应用最多，在本课程设计中选择PID控制器，PID控制器的特点是只能对单变量（此处为摆杆角度）进行控制。在《现代控制理论》中，普遍采用的控制方法是最优控制（LQR控制），最优控制可对多变量进行控制（如同时控制摆杆角度和小车位置），由于《现代控制理论》课时较少，对最优控制的讲解也很少，在这里通过对倒立摆的控制，让学生理解单变量控制和多变量控制的差别。本部分课程设计的目的是学习PID控制器和LQR控制器的设计方法，了解控制器参数对系统性能指标的影响，学会根据控制指标要求和实际响应调整控制器的参数，加深学生对所学内容的理解。 系统的MATLAB控制软件已编好，学生在进行控制系统设计时，只需将控制器参数输入，就可观察到控制系统的输出，仿真的目的一方面是让学生得到满足系统性能指标的控制器参数，另一方面是让学生将理论分析与仿真结果进行对比，更直观地理解各参数对控制性能的影响。 3. 倒立摆控制系统实物调试 倒立摆系统实验装置如图3所示。 具体实验步骤如下： （1）将小车推到导轨正中间位置，并且使摆杆处于自由下垂的静止状态。 （2）给计算机和电控箱通电。 （3）打开计算机，在DOS操作系统下启动程序，并使系统处于准备状态。 （4）起摆：由于PID控制只能控制摆杆的摆角，不能控制小车的位置，若用PID控制方式起摆，可能在摆杆竖起前就已出现撞墙现象，因此先采用最优控制方式起摆，等摆杆立起来并稳定下来之后，选择控制器菜单中的控制方式，输入参数，观察小车和摆杆的运动。由于PID控制器只对摆杆角度进行控制，所以在PID中小车可能向一个方向运动，此时需用手轻轻扶一下摆杆，以避免小车撞墙。（５）观察控制效果：用摆杆，观察倒立摆在干扰信号作用下的输出响应。若不能达到指标要求，分析原因，重新设计，直到对实际系统的控制达到满意的结果。 图3 倒立摆实验装置 1.3 实验准备及注意事项 1．为了安全起见，在进行系统连线、拆卸与安装前，必须关闭系统所有电源。 2．使用前请仔细检查连线，确保接线正确无误。如果码盘连线接反或断线，将会发生冲撞。 3．为了避免设备失控时造成人身伤害，操作时人员应该与设备保持安全距离，一定不要站在摆的两端4．如果发生异常，按下空格键，系统会提示“急停按钮被触发，无法继续控制系统，按任意键退出程序。” 5．超速时，系统会自动关闭伺服电机，并出现小车失速，系统被终止，按任意退出程序。1.4 课程设计任务书 哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）： 专 业： 班 号： 任务起至日期： 年 月 日至 年 月 日 课程设计题目： 一阶倒立摆控制器设计 已知技术参数和设计要求： 本课程设计的被控对象采用固高公司的一阶倒立摆系统GIP-