倒立摆控制系统设计报告.doc

北京石油化工学院 BEIJING INSTITUTE OF PETROCHEMICAL TECHNOLOGY 课程设计用纸 控制系统综合设计 倒立摆控制系统 院（系、部）： 组 长： 组 员 班 级： 指 导 教 师： 2014年1月2日星期四 PAGE PAGE 1 目录 摘要3 引言3 整体方案设计3 需求3 目标3 概念设计3 整体开发方案设计3 评估4 系统设计4 系统设计4 功能分析4 设计规范和约束6 详细设计7 机械系统设计8 理论分析9 控制系统建模9 时域和频域分析13 设计PID或其他控制器21 元器件、设备选型30 加工制作33 加工图纸38 材料选择38 加工方案38 安装调试38 经济性分析39 结论39 课程设计总结39 感悟和体会39 致谢40 九、参考文献40 PAGE PAGE 1 倒立摆控制系统设计 摘要：在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。倒立摆系统作为一个控制装置，结构简单，便于实现多种不同类型的控制方法，作为一个被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的快速系统，只有采用行之有效的控制策略，才能使其稳定。本文采用频率响应控制方式和PID控制方式对倒立摆的控制过程进行分析和研究，最终使倒立摆立起并保证其稳定。 关键词：倒立摆 最优控制 PID调节 频率响应 引言：自动控制理论在当前的工程技术界，主要解决如何面向工程的实际应用问题。一项工程的实施也存在一种可行性的试验问题，因而，用一套较好的、较完备的试验设备，将其理论及方法进行有效的检验是极其重要的。倒立摆装置被公认为自动控制理论中的典型实验设备，也是控制理论教学和科研中的被控对象，运用控制手段可使之具有良好的稳定性。因此说，倒立摆为科技研究提供了一个从控制理论通往实践的桥梁。 一 整体方案设计 需求 随着科学技术的不断进步，人们在生产和生活中越来越注重事物的精确性，因此，不确定因素就开始引起人们的广泛关注。提及不确定性，控制领域的人都会想起倒立摆系统，因为倒立摆系统是典型的多变量、非线性、不稳定系统，通过对它的研究，能有效的反映出许多抽象的控制理论及概念。其控制方法在军事、航空航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。目前，倒立摆已经成为控制领域的一项热门研究。 2、目标 倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡、过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。 概念设计 倒立摆是一个非线性、不稳定系统,经常作为研究比较不同控制方法的典型例子。设计一个倒立摆的控制系统，使倒立摆这样一个不稳定的被控对象在引入适当的控制策略的基础上而成为一个能够满足各种性能指标的稳定系统。 整体开发方案设计 通过对倒立摆物理模型的分析，建立倒立摆的动力学模型，然后使用状态空间理论，推导出其非线性模型，再在平衡点处进行线性化，得到倒立摆的状态方程和输出方程，再设计出PID控制器实现对其的控制。实验参数自己选定，但要合理，符合实际情况，使用模糊控制方式，并利用 MATLAB软件，用simulink对相应的模块进行仿真。 评估 对自然不稳定物体，人为地施加一定的控制手段，使之稳定，达到人们的需求。这正是倒立摆的控制思想，不仅如此，日常生活中，所有重心在上、支点在下的物体的控制思想都源于此。一般而言，对倒立摆的控制目的就是通过控制力F的作用，使小车左右运动，从而带动摆杆的摆动，将单摆控制在倒立点附近，在这样的单摆系统中，摆杆的平衡位置有两个，一个是自然下垂位置，另一个是竖直向上的倒立位置，因此倒立点是一个不稳定的平衡位置，摆杆一旦偏离倒立点，即使很小的角度，也会使整个系统失去平衡。 二 系统设计 （一） 功能分析 （1） 被控对象 倒立摆的被控对象为摆杆和小车。摆杆通过铰链连接在小车上，并可以围绕连接轴自由旋转。通过给小车施加适当的力可以将摆杆直立起来并保持稳定的状态。 （2） 传感器 倒立摆系统中的传感器为光电编码盘。旋转编码器是一种角位移传感器，它分为光电式、接触