毕业设计（论文）-倒立摆PID控制及MATLAB仿真精选.doc

摘 要 倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、不稳定系统，对倒立摆的控制研究无论在理论上和方法上都有深远的意义。 本论文以实验室原有的直线一级倒立摆实验装置为平台，重点研究其PID控制方法，设计出相应的PID控制器，并将控制过程在MATLAB上加以仿真。 本文主要研究内容是：首先概述自动控制的发展和倒立摆系统研究的现状；介绍倒立摆系统硬件组成，对单级倒立摆模型进行建模，并分析其稳定性；研究倒立摆系统的几种控制策略，分别设计了相应的控制器，以MATLAB为基础，做了大量的仿真研究，比较了各种控制方法的效果；借助固高科技MATLAB实时控制软件实验平台；利用设计的控制方法对单级倒立摆系统进行实时控制，通过在线调整参数和突加干扰等，研究其实时性和抗千扰等性能；对本论文进行总结，对下一步研究作一些展望。 关键词：一级倒立摆，PID，MATLAB仿真 目 录 第1章 自动控制概述 1 1.1 自动控制概念 1 1.1.1 开环控制 1 1.1.2 闭环控制 2 1.2 自动控制系统的分类 2 1.2.1 恒值系统、随动系统和程序控制系统 2 1.2.2 随机系统与自动调整系统 3 1.2.3 线性系统和非线性系统 3 1.2.4 连续系统与离散系统 3 1.2.5 单输入单输出系统和多输入多输出系统 3 1.2.6 集中参数系统和分布参数系统 4 1.3 对控制系统的性能要求 4 1.4 典型环节 5 1.4.1 比例环节 5 1.4.2 积分环节 5 1.4.3 微分环节 6 1.4.4 惯性环节 6 1.4.5 时滞环节 7 第2章 MATLAB仿真软件的应用 9 2.1 MATLAB的基本介绍 9 2.2 MATLAB的仿真 9 2.3 控制系统的动态仿真 10 2.4 小结 12 第3章 直线一级倒立摆系统及其数学模型 13 3.1 系统组成 13 3.1.1 倒立摆的组成 14 3.1.2 电控箱 14 3.1.3 其它部件图 14 3.1.4 倒立摆特性 15 3.2 模型的建立 15 3.2.1 微分方程的推导 16 3.2.2 传递函数 17 3.2.3 状态空间结构方程 18 3.2.4 实际系统模型 20 3.2.5 采用MATLAB语句形式进行仿真 21 第4章 PID控制理论 23 4.1 PID控制概述 23 4.2 PID的控制规律 24 4.3 数字PID控制 25 4.3.1 位置式PID控制算法 26 4.3.2 增量式PID控制算法 27 4.4 常用的PID控制系统 27 4.4.1 串级PID控制 27 4.4.2 纯滞后系统的大林控制算法 28 4.4.3纯滞后系统的Smith控制算法 29 4.4.4 PID控制原理的特点 31 4.4.5 PID参数的调整 31 4.4.6 PID控制回路的运行 32 第5章 直线一级倒立摆的PID控制器设计与调节 34 5.1 PID控制器的设计 34 5.2 PID控制器设计MATLAB仿真 36 结 论 41 致 谢 42 参考文献 43 第1章 自动控制概述 1.1 自动控制概念 在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术得到了广泛的应用，自动控制技术最显著的特征就是通过对各类机器，各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福于社会。 所谓自动控制，就是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量等于给定值或按给定信号变化规律去变化。 为达到某一目的，由相互制约的各个部分，按一定的规律组织成的，具有一定功能的整体，称为系统，它一般由控制装置（控制器）和被控对象所组成。 自动控制有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制[1]。 1.1.1 开环控制 控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制。其特点是：系统结构和控制过程均很简单。开环控制的示意框图如图1.1所示 图1.1开环控制系统 开环控制是一种简单的无反馈控制方式，在开环控制系统中只存在控制器对被控量对象的单方向控制作用，不存在被控制量(输出量)对被控量的反向作用，系统的精度取决于组成系统的元器件的精度和特性调整的精确度。开环系统对外扰及内部参量变化的影响缺乏抑制能力，但开环系统内构简单，比较容易设计和调整，可用于输出量与输入量关系为已知，内外扰动对系统影响不大，并且控制精度要求不高的场合。 在开环控制系统中，对于每一个输入参考量，就有一个与之相对应的工作状态和输出量，系统的精度取决于元、器件的精度和特性调整的精度，当系统的内扰和外扰影响不大并且控制精度要求不高时，可采用开环控制方式。 1.1.2 闭环控制 控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，即有被控量对控制过程的影响。 闭环控制的特点是：在控制器和被