旋转电机一级倒立摆实验指导书.docx

旋转电机一级倒立摆

实验指导书

——提供完备的人才培养解决方案，先进的教学实验装备

合动(安徽)智能科技有限公司工程科研创新教学

I

目录

目录 I

第一章实验平台介绍 3

1.1倒立摆简介 3

1.2倒立摆的分类 3

1.3倒立摆的特性 5

1.4控制器设计方法 6

1.5旋转电机倒立摆平台结构分析 6

1.6旋转电机倒立摆组成框图 7

第二章旋转电机一级倒立摆建模及性能分析 8

2.1旋转电机一级倒立摆建模 8

2.1.1牛顿力学法 8

2.1.2拉格朗日方法 12

2.2系统的控制特性分析 15

2.3系统的阶跃响应分析 17

第三章旋转电机一级倒立摆MATLAB仿真实验 19

3.1根轨迹控制实验 19

3.1.1根轨迹原理 19

3.1.2根轨迹分析 19

3.1.3根轨迹校正及MATLAB仿真 20

3.1.4Simulink仿真模型搭建 27

3.2频率响应控制实验 32

3.2.1频率响应分析 33

3.2.2频域控制器设计及仿真 35

3.2.3仿真实验 40

3.3PID控制实验 44

3.3.1PID控制原理 44

3.3.2PID控制参数设定及仿真 45

3.4状态空间极点配置控制实验 51

3.4.1状态空间分析 51

3.4.2极点配置及仿真 53

3.5线性二次最优控制(LQR)控制实验 61

3.5.1线性二次最优控制(LQR)基本原理及分析 61

Ⅱ

3.5.2LQR控制参数调节及仿真 63

3.6模糊控制实验 67

3.6.1模糊控制简介 67

3.6.2模糊控制的步骤 70

3.6.3倒立摆模糊控制方法 70

3.6.4倒立摆模糊控制器设计 71

3.6.5倒立摆模糊控制仿真 72

3.7神经网络控制 78

3.7.1神经网络基本结构 78

3.7.2神经网络的学习 79

3.7.3神经网络控制 79

3.7.4神经网络设计 80

3.7.5倒立摆神经网络控制仿真 84

第四章旋转电机一级倒立摆实物控制实验 88

4.1倒立摆系统控制器测试 88

4.1.1主控板LED闪烁实验 88

4.2编码器原理及使用实验 95

4.2.1编码器原理 96

4.2.2角度和位移换算 97

4.2.3摆杆角度测试实验 97

4.2.4旋转电机位置测试实验 101

4.3旋转电机PID控制跟踪正弦轨迹实验 104

4.4旋转电机一级倒立摆PID稳摆控制实验 110

4.5旋转电机一级倒立摆LQR稳摆控制实验 116

4.6旋转电机一级倒立摆Bang-Bang控制自起摆实验 120

4.6.1Bang-Bang起摆控制算法 120

4.6.2Bang_Bang控制算法实物控制 121

3

第一章实验平台介绍

1.1倒立摆简介

倒立摆系统(TheInvertedPendulumSystem,IPS)是典型的多变量，非线性，自然不稳定和强耦合不确定系统。20世纪50年代，为了解决发射过程中火箭助推器的姿态问题，科学家们提出了倒立摆的物理模型，为倒立摆系统的研究打开了大门。具有恒定不稳定性的系统或设备的学术名称叫做“倒立摆”,例如行走中的人类。它可以有效地反映控制过程中的许多关键问题，是测试各种控制理论的理想模型。以倒立摆为控制对象，研究者们已对各种控制理论进行了验证，主要控制目标一般分为稳摆和起摆两种。相关的理论算法成果已在各领域得到了广泛应用，如仿人机器人平衡控制、火箭的姿态控制和直升机飞行控制等。

倒立摆系统运动形式上可分为平面、直线、环形倒立摆等。摆杆数量增加控制难度也相应增加，一级和二级倒立摆较为常见，也有多级倒立摆。轨道形式不同，也有水平或倾斜导轨的倒立摆。驱动电机可以不止一个，但数量要小于系统自由度，因为倒立摆是欠驱动系统。总之，倒立摆有很多种形式。

1.2倒立摆的分类

倒立摆已经由原来的旋转电机一级倒立摆扩展出很多种类，典型的有直线倒立摆，环形倒立摆，平面倒立摆和复合倒立摆等，倒立摆系统是在运动模块上装有倒立摆装置，由于在相同的运动模块上可以装载不同的倒立摆装置，倒立摆的种类由此而丰富很多，按倒立摆的结构