自动化专业课程设计-MATLAB控制系统仿真.ppt

自动化专业课程设计（二）MATLAB及控制系统仿真课程设计MATLAB及控制系统仿真课程设计目的：加强学生对控制理论及控制系统的理解，熟练应用计算机仿真常用算法和工具，完成控制系统计算机辅助设计的训练。提高学生对控制系统的综合及设计技能，扩大学生的知识面，培养学生独立分析问题及解决问题的能力，为以后从事实际控制系统的设计工作打下基础。涉及的相关课程：本综合设计涉及的相关课程主要有自动控制原理、现代控制理论、过程控制、MATLAB及控制系统仿真等。基本流程：1系统分析及数学模型建立2开环系统仿真及动态特性分析3控制方案设计及闭环系统仿真实验4实验结果分析5撰写设计报告6要求：7要求理论正确，设计合理、仿真数据准确8设计报告撰写规范91具体设计内容：2基于观测器的倒立摆控制系统设计及仿真3锅炉过热汽温控制系统设计及仿真4要求：5要求理论正确，设计合理、仿真数据准确；6设计报告撰写规范7、评分平时成绩60%书面报告40%出勤40%上机表现40%结果演示20%程序设计70%结果分析30%MATLAB及控制系统仿真课程设计一、基于观测器的倒立摆控制系统设计及仿真（分数占比80%）一级倒立摆二级倒立摆三级倒立摆一级直线顺摆摆摆是进行控制理论研究的典型实验平台，可以分为倒立摆和顺摆。由于倒立摆系统的控制策略和杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，而且许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为必备的控制理论教学实验设备。学习控制理论的学生通过倒立摆系统实验来验证所学的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学课程加深了理解。倒立摆不仅仅是一种优秀的教学实验仪器，同时也是进行控制理论研究的理想实验平台。12二十世纪九十年代以来，更加复杂多种形式的倒立摆系统成为控制理论研究领域的热点，每年在专业杂志上都会有大量的优秀论文出现。3由于倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法，相关的科研成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。倒立摆系统是一个复杂的、高度非线性的、不稳定的高阶系统，是学习和研究现代控制理论最合适的实验装置。倒立摆的控制是控制理论应用的一个典型范例,一个稳定的倒立摆系统对于证实状态空间理论的实用性是非常有用的。迄今人们对倒立摆的研究已经非常深入，我国已成功地实现了四级倒立摆的控制。在此，我们首先应用动力学方程建立一级倒立摆的非线性数学模型；采用小偏差线性化的方法在平衡点附近局部线性化得到线性化的数学模型；然后应用状态空间分析方法，采用状态反馈为倒立摆系统建立稳定的控制律；最后应用状态观测器实现倒立摆系统的稳定控制。系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入－输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。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、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入－状态关系。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。但是经过假设忽略掉一些次要的因素后，倒立摆系统就是一个典型的运动的刚体系统，可以在惯性坐标系内应用经典力学理论建立系统的动力学方程关系。（一）一级倒立摆系统的数学模型系统的组成系统由小车、小球和轻质杆组成。倒摆通过转动关节安装在驱动小车上，杆子的一端对小车施加一定的外部驱固定在小车上，另一端可以自由地左右倒下。通过动力，使倒摆保持一定的姿势。0102小车质量；小球的质量；倒摆的杆长；重力加速度；表示倒摆偏离垂直方向的角度；u是小车受到的水平方向