倒立摆系统的控制器设计_20112.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

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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

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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。

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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。

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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。

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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

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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

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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

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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。

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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。

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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。

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图直线一级倒立摆模型

? M小车质量1.096Kg

? m摆杆质量0.109Kg

? 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0.0034kg·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

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图小车及摆