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控制系统综合设计 —— 一级直线倒立摆的控制 系 别 信息工程系 年 级 自动09 姓 名 张一鸣 学 号 2009926008 姓 名 刘德鹃 学 号 2008926061 姓 名 黄一宏 学 号 2009926052 姓 名 史蛟龙 学 号 2009926015 指导教师 肖龙海 张 田军 2012年06月 小组成员与分工： 黄一宏 主要任务： 二阶~四阶控制,仿真 刘德鹃 主要任务: 二阶~四阶控制,仿真 张一鸣 主要任务: 二阶~四阶建模 史蛟龙 主要任务: 二阶~四阶建模 前言 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 系统的稳定性和能观性分析……………………………………………11 2.3 二阶的能观性、能控性、稳定性、频域和时域的分析及波特图……13 2.4 四阶的能观性、能控性、稳定性、频域和时域的分析及波特图……18 第三章 倒立摆系统二阶控制器的设计与调试 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 第四章 倒立摆系统四介控制器的设计与调试 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 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 了解倒立摆装置基本结构。了解编码盘、行程开关等的基本工作原理。进行行程开关、编码盘和电机基本测试。 1.2 设计的目的 本设计要求我们针对设计要求，利用课堂所学知识及实验室实测来的系统数据采用工程设计法进行一级直线倒立摆控制系统设计。绘制原理图，同时在实验室进行实验检验设计结果，分析数据，编写设计报告。目的是使学生掌握随动控制系统设计的一般步骤及方法。 1.3 设计的基本任务 本课程设计的被控对象采用固高科技生产的GLIP2001一级直线倒立摆。通过设计与调试使学生能够：（1）熟悉倒立摆系统的组成及其基本结构；（2）掌握通过解析法建立系统数学模型及进行工作点附近线性化的方法；（3）掌握系统性能的计算机辅助分析；（4）掌握系统控制器的设计与仿真；（5）研究调节器参数对系统动态性能的影响。 1.4 设计的要求 熟悉倒立摆系统结构，熟悉倒立摆装置的基本使用方法； 建立系统的数学模型，并在工作点附近线性化； 分析系统的稳定性、频域性能、能控性与能观性； 采用状态空间的极点配置法设计控制器，要求系统调节时间ts=3s，阻尼比ξ=0.6 and ξ=1。 1.5 实验步骤 1、倒立摆系统基本结构分析 2、对象的建模 3、系统性能分析 4、控制器设计