倒立摆系统控制器设计2011.doc

自动控制理论课程设计设计指导书 题目：倒立摆系统的控制器设计 1 课程设计概述 工程设计 控制系统设计 课程设计 倒立摆系统的控制器设计 倒立摆系统概述 数学模型的建立 开环响应分析 根轨迹法设计 频域法设计 PID控制器设计 总结 倒立摆系统的实时控制 课程设计报告内容 2 课程设计概述 工程设计可认为是工程师创造性地运用他所拥有 的知识和材料，创建一个特定产品或特定系统。 设计过程就是为达到特定的目的，构思或创建 系统的结构、组成和技术细节的过程。 设计的根本目的就是要达到合适的技术指标。设 计新的系统或产品时，设计复杂性、折衷处理、设计 差异和设计风险是设计工作所固有的。 在工程设计中，分析和综合是两种必不可少而且 非常重要的思维模式。分析关注的焦点是所研究的物 理系统的各种模型，并通过对模型的分析得到真知灼 见，确定设计改进的方向。而综合则侧重于构建所设 计的新的系统。 3 控制系统设计是工程设计的一个特例。 对控制 工程师而言，首要的任务应是设计能达到预期控制性 能的系统结构配置，包括传感器、受控对象、执行机 构和控制器。譬如，根据实现控制任务的工艺要求选 择被控对象，选择能有效调节对象工作性能的装置作 为执行机构，选择合适的传感器测量被控参数，接下 来就是选择控制器。 设计过程的最后步骤是调节系统参数以便获得所 期望的系统性能。如果通过参数调节达到了期望的系 统性能，设计工作就告结束，可着手形成设计文档。 否则，就需要改进系统结构配置，甚至可能需要选择 功能更强的执行机构和传感器。此后就是重复上述设 计步骤，直到满足了设计指标的要求，或者确认设计 指标的要求过于苛刻，必须放宽指标要求。 4 课程设计是围绕一门专业基础课或专业课的 内容所进行的实践性教学环节，是在教师的指导 下对学生进行阶段性专业实践训练，培养学生工 程意识、创新意识、经济意识和科技意识，对学 生实际知识水平、综合分析能力、独立设计能力 等进行检验的教学过程。 自动控制原理课程设计的目的是让学生掌握 对实际系统进行建模的方法，利用古典控制理论 对控制系统进行控制器的设计，熟悉利用 MATLAB / SIMULINK对控制系统进行仿真分析 和设计。培养学生对控制系统进行分析和设计的 能力，培养学生综合运用所学专业知识解决实际 问题的能力。 5 课程设计概述 工程设计 控制系统设计 课程设计 倒立摆系统的控制器设计 倒立摆系统概述 数学模型的建立 开环响应分析 根轨迹法设计 频域法设计 PID控制器设计 总结 倒立摆系统的实时控制 课程设计报告内容 6 摆的世界：支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装 置的叫倒立摆。相反，支点在上而重心在下的则称为顺摆。现 实生活中，摆无处不在，旋转着的芭蕾舞演员，杂技的顶伞， 墙上挂钟的钟摆，工作中的吊车等都可被看作是一个摆。 杂技演员通过 移动脚尖使伞 稳稳立在空中 整点时钟 摆就会左 右摆动 芭蕾舞演员一只脚 尖着地，身体在空 中划出优美的姿态 火箭在空中的姿态 调整就可以利用倒 立摆控制方法实现 7 一、倒立摆系统概述 倒立摆的种类：悬挂式、直线、环形、平面倒立 摆等。一级、二级、三级、四级乃至多级倒立摆。 图 直线一级倒立摆控制系统 8 系统的组成：倒立摆系统由倒立摆本体，电 控箱以及控制平台（包括运动控制卡和PC机）三 大部分组成。 9 工程背景： (1) 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统。 (2) 在火箭等飞行器的飞行过程中为了保持其 正确的姿态要不断进行实时控制。 (3) 通信卫星要保持其稳定的姿态使卫星天线 一直指向地球使它的太阳能电池板一直指向太阳。 (4)为了提高侦察卫星中摄像机的摄像质量必须 能自动地保持伺服云台的稳定消除震动。 (5) 多级火箭飞行姿态的控制也可以用多级倒 立摆系统进行研究。 倒立摆系统是机器人技术、控制理论、计算机 控制等多个领域、多种技术的有机结合。 10 二、数学模型的建立 系统建模可以分为两种：机理建模和实验建 模。对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的 系统，实验建模存在一定的困难。机理建模就是 在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、 化学等学科的知识和数学手段建立起系统内部变 量、输入变量以及输出变量之间的数学关系。 11 图 直线一级倒立摆模型 ? M 小车质量1.096 Kg ? m 摆杆质量0.109 Kg ? b 小车摩擦系数0.1N/m/sec ? l 摆杆转动轴心到质心长度0.25m ? I 摆杆惯量0.0034 kg·m2 ? F 加在小车上的力 ? x 小车位置 ? φ 摆杆与垂直向上方向的夹角 ? θ 摆杆与垂直向下方向的夹角 N 和P 为小车与摆杆 相互作用力的水平和 垂直方向的分量 。 图 小车及摆杆受力分析 12 图 小车及