直​线​倒​立​摆​实​验​指​导​书.doc

目录 前言 1 第一章 开发环境及其系统组成 3 一 开发环境要求 3 二 系统组成 3 第二章 直线一级倒立摆的建模、仿真及实验 4 一 直线一级倒立摆的数学模型 4 1 牛顿－欧拉方法建模 4 2 拉格朗日方法建模 10 二 系统的阶跃响应分析与可控性分析 13 1 系统阶跃响应分析 13 2 系统可控性分析 14 三 直线一级倒立摆Simulink仿真实验及实时控制实验 16 1 实验注意事项 16 2 实验步骤 16 3 MATLAB(Simulink)仿真实验与实时控制实验 17 3.1 运动控制基础实验 18 3.2 根轨迹校正实验 19 3.3 频率响应校正实验 28 3.4 PID校正实验 36 3.5 状态空间极点配置控制实验 41 3.6 LQR控制实验 49 3.7 LQR控制(能量自摆起)实验 55 3.8 模糊逻辑控制实验 60 3.9 模糊逻辑控制（能量自摆起）实验 61 3.10 模糊PID控制实验 62 4 VC实时控制实验 63 第三章 直线二级倒立摆的建模、仿真及实验 70 一 直线二级倒立摆的数学模型 70 1 拉格朗日方法建模 70 二 系统的阶跃响应分析与可控性分析 77 1 系统阶跃响应分析 77 2 系统可控性分析 78 三 LQR控制器设计 78 四 Simulink仿真实验 80 五 直线二级倒立摆的实时控制实验 82 1 实验注意事项 82 2 实验步骤 83 3 MATLAB(Simulink)实时控制实验 83 4 VC实时控制实验 85 5 系统日常维护 87 前言 倒立摆是进行控制理论研究的典型实验平台。由于倒立摆系统的控制策略和 杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，而且许多抽象的 控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等等，都可以通过倒立摆 系统实验直观的表现出来，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为必备的控 制理论教学实验设备。学习自动控制理论的学生通过倒立摆系统实验来验证所学 的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学课程加深了理解。 倒立摆不仅仅是一种优秀的教学实验仪器，同时也是进行控制理论研究的理想实验平台。由于倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法，相关的科研成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。二十世纪九十年代以来，更加复杂多种形式的倒立摆系统成为控制理论研究领域的热点，每年在专业杂志上都会有大量的优秀论文出现。 深圳市元创兴科技有限公司为高等院校的自动控制教学提供了整套基于倒立摆系统的实验解决方案。包括各种摆的开发生产、实验内容的安排和配置，以及对应的自动控制理论教学内容和相关经典教材的推荐。元创兴科技开发生产的倒立摆系列包括直线运动型、圆周运动型和复合倒立摆三个大系列，主要特点包括： 开放性：采用四轴运动控制板卡，机械部分和电气部分非常容易扩展，可以根据用户需要进行配置。系统软件接口充分开放，用户不仅可以使用配套的实验软件，而且可以根据自己的实际需要扩展软件的功能。 模块化：系统的机械部分可以选用直线或者旋转平台，根据实际需要配置成一级、二级或者三级倒立摆。而三级摆可以方便地改装成两级摆，两级摆可以改装成一级摆。系统实验软件同样是基于模块化的思想设计，用户可以根据需要增加或者修改相应的功能模块。 简易安全：摆实验系统包括运动控制板卡、电控箱（旋转平台系统中和机械本体联在一起）、机械本体和微型计算机几个部分组成，安装升级方便。同时在机械、运动控制板卡和实验软件上都采取了积极措施，保证实验时人员的安全可靠和仪器安全。 方便性：倒立摆系统易于安装、升级，同时软件界面操作简单。 先进性：采用工业级四轴运动控制板卡作为核心控制系统，先进的交流伺服电机作为驱动，检测元件使用高精度高性能光电码盘。系统设计符合当今先进的运动控制发展方向。 实验软件多样化：用于实验的软件包括经典的VC++，以及控制领域使用最多的仿真工具Matlab，提供完备的设备接口和程序接口，方便用户进行实验和开发。 第一章 开发环境及其系统组成 一 开发环境要求 硬件要求： 1、Pentium II、Pentium III、AMD Athlon或者更高； 2、内存至少256MB，推荐512MB 以上； 3、至少有一个PCI插槽； 软件要求： 1、Microsoft Windows XP； 2、Microsoft Visual C++ 6.0； 3、Matlab 6.5。 二 系统