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电机拖动与运动控制综合设计报告
************学院课程设计报告
电机拖动与运动控制综合设计
院系:自动化学院
题目:基于状态观测器单级倒立摆控制系统的设计
班级:自动化****
姓名:*****
学号:************
时间:************
指导老师:************
目录
前言(1)
1倒立摆系统的组成与工作原理(1)
2倒立摆系统的控制目标(1)
3建立单级倒立摆系统的状态空间模型(1)
4基于状态观测器的状态反馈极点配置(3)
4.1系统能控性和能观性的判断(3)
4.2系统和状态观测器极点的配置(3)
4.3状态反馈矩阵和状态观测器矩阵(4)
5倒立摆系统仿真模型以及Simulink仿真(4)
5.1倒立摆Simulink仿真模型(4)
5.2倒立摆Simulink仿真曲线图(5)
6倒立摆系统Matlab仿真动态模型(6)
6.1运动中倒立摆小车仿真效果图(6)
6.2稳定后倒立摆小车仿真效果图(7)
7总结(7)
参考文献(8)
附录(8)
倒立摆系统MATLAB2022仿真动态模型代码(8)
基于状态观测器单级倒立摆控制系统的设计
前言
倒立摆系统式日常生活中所见到的重心在上支点在下
的控制问题的抽象,对其机理的研究具有重要的应用意义。
倒立摆系统是非线形、强耦合、多变量和自然不稳定的系统,
是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。
对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题:
如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪
问题等。倒立摆系统具有生动直观的教学特点,在研究方面,
也具有重要的价值,如航空航天控制、机器人等等,都存在
类似于倒立摆的控制问题。
1倒立摆系统的组成与工作原理
下面为一级倒立摆系统为例,说明倒立摆系统的工作原
理,如下图所示,倒立摆系统是由工程机、运动控制模块、
伺服电机与驱动器、倒立摆本体和位置传感器等几大部分构
成的一个闭环系统。
图1倒立摆系统的组成与工作原理
在图中,位置传感器l为伺服电机自带的光电编码器,
对于直线型倒立摆,可以根据该码盘的反馈通过换算获得小
车的位移,小车的速度信号可以通过差分法得到;摆杆的角
度由位置传感器2测得并直接反馈到控制卡,速度信号可以
通过设计观测器获得(或者通过差分方法得到)。计算机从
运动控制卡中实时读取数据,确定控制决策(小车向哪个方
向移动、移动速度、加速度等),并发送给运动控制卡。运
动控制卡经过DSP内部的控制算法实现决策,产生相应的控
制量,驱动电机转动,从而带动小车运动,保持摆杆平衡。
2倒立摆系统的控制目标
倒立摆的控制目标就是在忽略执行电机的惯性以及摆
轴、轮轴、轮与接触面之间的摩擦力及风力的理想环境下,
使摆杆尽快地达到一个动态平衡位置,并且使角度和速度变
化量不大。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。
3建立单级倒立摆系统的状态空间模型
单级倒立摆系统如下图所示,其中,摆杆长度为L,摆
球质量(包括摆杆的质量)为m,
保其实质不变,忽略执行电机的惯性以及摆轴、轮轴、
轮与接触面之间的摩擦力及风力。
图2单级倒立摆系统
设该系统的动态特性可以用小车的位移和速度及杆偏
离垂线的角度θ和角速度θ来描述。摆球质心坐标为:y
G=y+LsinθzG=Lcosθ
在y轴方向上应用牛顿第二定律得到以下方程:
Md2
dt2y+md2
dt2
y+Lsinθ=u(1)
而微分方程:
d
dt
sinθ=θcosθ
d2dt2sinθ=θcosθ?θ2sinθd
cosθ=?θsinθ
d2
2
cosθ=?θ2cosθ?θsinθ
代入(1)式,化简为:
M+my?mLθ2sinθ+mLθcosθ=u(2)倒立摆在转动方
向上,其转矩平衡方程为:
md2yG
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