2022年倒立摆控制系统设计 .pdf
《2022年倒立摆控制系统设计 .pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2022年倒立摆控制系统设计 .pdf(36页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、毕业设计倒立摆控制系统设计学生姓名:专业班级:自动化 2012级 1 班指导教师:教授工程师学院:机电工程学院2016年 6 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 36 页 - - - - - - - - - 倒立摆控制系统设计摘要倒立摆是一种复杂、时变、非线性、强耦合、自然不稳定的高阶系统,许多抽象的控制理论概念都可以通过倒立摆实验直观的表现出来。本文对单级倒立摆系统的平衡控制问题进行了研究,分别采用根轨迹法、 PID 法、频域特性法这三种方法实现了单级倒立
2、摆系统的平衡控制。实际的写作及操作如对直线型单级倒立摆进行数学模型建立,通过仿真的根轨迹图表明原系统不稳定,需要设计相应的控制器进行校正。三种校正方法都利用MATLAB 通过人机界面调用,以完成离线的仿真,进而利用图形化的Simulink 作为控制前台基于 RTW 完成实时控制,在线调整参数就针对直线单级倒立摆系统摆杆的平衡控制应用P1D 法,通过根轨迹法依次确定比例、积分、微分的个参数后仿真;运用根轨迹法设计控制器和频域法设计针对摆杆的平衡和小车位置的控制器,然后进入在线实时控制,根据实际控制效果调整控制器参数。将所设计的控制器分别在实际的物理设备上进行实时控制实验,都成功地实现了倒立摆的平
3、衡控制。关键词倒立摆;PID 系统;根轨迹;频域特性名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 36 页 - - - - - - - - - Design of inverted pendulum control system Abstract Inverted pendulum is a complex, time-varying, nonlinear, strong coupling, natural instability of high order syste
4、ms, many of the abstract control theory can be shown through the inverted pendulum experiment. In this paper, the balance control of single inverted pendulum system is studied, and the balance control of single stage inverted pendulum system is achieved by using the three methods, root locus method,
5、 PID method and frequency domain method. The actual writing and operation, such as the linear single inverted pendulum mathematical model is established, through the simulation of the root locus diagram of the original system is not stable, need to design the corresponding controller for correction.
6、 Three correction methods are the use of MATLAB through the man-machine interface, to complete the off-line simulation, then the Simulink graphical as front control based on RTW real-time control, online parameter adjustment is for linear single inverted pendulum system pendulum pole balancing contr
7、ol P1D method is applied, by the root locus method in order to determine the proportion, integral and differential parameters simulation; the use of root locus method controller design and frequency domain method of design for the pendulum rod balance and the cart position controller, and then enter
8、 the online real-time control, according to the actual control effect to tune the parameters of the controller. The designed controller is implemented in real time control experiments on the actual physical equipment, and the balance control of the inverted pendulum is successfully achieved. Keyword
9、s Inverted Pendulum ;PID Control;Root Locus ;Frequency Characteristic 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 36 页 - - - - - - - - - 目录摘要Abstract 目录1 绪论 . 11.1 倒立摆历史发展. 1 1.2 倒立摆研究意义. 1 1.3 倒立摆类型特性. 2 1.4 倒立摆控制方法. 3 1.5 本章小结 . 4 2 倒立摆系统建模 . . 52.1 系统受力分析
10、 . 5 2.2 系统数学模型 . 6 2.3 仿真分析稳定性. 7 2.4 本章小结 . 9 3 根轨迹法校正 . . 103.1 根轨迹简介 . 10 3.2 根轨迹分析稳定性. 10 3.3 相消法校正系统. 10 3.4 本章小结 . 12 4 PID 法校正 . 134.1 PID简介 . . 13 4.2 PID参数确定 . . 14 4.3 仿真校正 . 14 4.4 本章小结 . 19 5 频域法校正 . . 20 5.1 频率特性简介 . 20 5.2 频域分析稳定性. 20 5.3 频域法校正 . 21 5.4 本章小结 . 23 结论 . 24 参考文献 . 25 附录
11、. 27 致谢 . 29 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 36 页 - - - - - - - - - 绪论1 1 绪论1.1 倒立摆历史发展倒立摆有许多控制方面的特性,所以对它的研究是极具意义的,因为不管是国内还是国外都是需要控制进行生产制造方面的工业。而倒立摆系统是一种简单、直观、简单的实验操作,所以它已成为许多控制研究者的重要研究课题之一。经过多年的研究,对倒立摆装置进行了验证控制理论的可操作性和现实性的多个控制算法,各种算法也有自己的优点和缺点。倒
12、立摆刚开始研究开始于上世纪50 年代,麻省理工学院的控制系统专家基于火箭发射助推器理论设计的一套单级倒立摆实验装置1。倒立摆系统是上世纪被正式提出的,它是一种特殊不稳定、高度非线性的系统。国外对倒立摆的研究已经达到成熟的阶段,先后研究并发现多种算法来进行控制。状态空间式、变结构神经网络等都已经达到控制的目的。虽然有些控制被发现,但由于许多不足与缺陷还是处在了保守控制的阶段。神经网络通过自动学习模糊控制器的输入和输出进行比较,这引起了一些研究者的注意,之后又有了从倒立摆系统的能量控制方法的研究。国内一级倒立摆的发展走在前列的是以拟人化的控制来实现倒立摆的控制,控制一级倒立摆LQR最优控制,实现五
13、级倒立摆的控制基于LQR模糊插值等。对倒立摆的研究不仅具有理论意义,更有其工程背景,通过深入研究将发现倒立摆在生活中有很多应用,如海上钻井平台控制、飞机着陆安全、化学过程控制等均属于其研究范围,其相关的研究成果已应用于航天科技和机器人等领域应用。1.2 倒立摆研究意义倒立摆控制模型和火箭发射垂直系统,导弹空中拦截系统,双轮车自平衡系统,卫星姿态系统,直立行走机器人的平衡系统和航空对接系统等涉及的角度和平衡控制系统问题在很大程度上是相似的,因此在航空航天、军工、机器人等领域和一般工业设计都有着极为广泛的应用2。倒立摆系统是一种典型的实验装置的研究控制理论,由于其结构简单,可以有效地测试许多控制方
14、法,可以实现参数确定和模型的改变,而成本低廉的优点使得控制方面的理论,很多研究者一直把它作为研究的主要对象。可以用它来描述线性控制系统的稳定性和不稳定系统的变结构控制的非线性控制,基于无源性的控制,自由行走,非线性观测器,非线性模型降阶,摩擦补偿控制的思想,并从连接连研究的一种新的控制方法和理论,作为一个结果,倒立摆系统是智能控制方法的研究,为一种较为理想的实验装置。倒立摆系统有很多特性,如多变量,阶次高等。很多的抽象概念如系统的可控性、系统的抗干扰能力、稳定性和收敛速度等。所有这些都可以由倒立摆系统更直观的显示出来。倒立摆系统是控制理论见习中的最佳实验。传统的教学实验是在优化理论教学和实践操
15、作时,往往对理论知识的量远远大于实验课,实验课和学生基本都是完全按照实验指导书的步骤来完成这些实验,并且在整个实验过程中,学生都是被动的接受知识,而学生的方法和内容绝对没有兴趣。显然,这种教学方法很难培养学生的综合素质高、实践能力强。在改革与创新的实验环节、内容和形式上,要实现培养学生的创新能力和实1践操作能力。因此,开展设计与开放的综合性实验研究是十分重要的。如说,如果在控制理论教学,构建合理、高效的倒立摆控制系统的平台,当学生深入理解控制理论,同时,也可以让在环仿真技术发展过程中硬件的学生具有一定的知识储备,这样不仅从理本课题来源于生产实践名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -
16、- - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 36 页 - - - - - - - - - 东北林业大学本科生毕业设计2 论和实践提高了学生的兴趣和学习控制理论的认识,并基于MATLAB 实时仿真操作。倒立摆系统的研究在高校的控制理论教学和实验中应用。它已在欧洲、美国、欧洲等发达国家和地区广受欢迎。综上所述,我国高校的倒立摆控制方法研究,控制理论教学与实验研究具有广阔的发展前景和意义。1.3 倒立摆类型特性1.3.1 倒立摆类型(1)直线倒立摆系统系统由沿直线滑轨可以运动的小车、一头固定在小车上的均匀质量长杆组成。通过
17、动力设备像力矩电机、步进电机、直流电机、或交流伺服电机等用以驱动小车在滑轨上来回运动。不足之处是固定的导轨长度限制了小车的行程3。(2)环形倒立摆系统系统由沿水平放置的连杆、一头固定在连杆末端的均匀质量长杆组成。通过传动设备由电机来带动做沿中心轴线转动运动。摆杆的圆周运动由于离心力的作用使系统出现另一种缺陷:非线性因素。(3)平面倒立摆系统系统的均匀质量摆杆底端可以在平面内自由的运动,并且摆杆可以沿着平面内的任意一条轴线转动。又有倒立摆的种类及运动带动杆的设备的不尽相同,所以对其驱动的时候的点机数目也可能有所差异。一般情况下至少是需要两台电机对设备进行驱动。(4)柔性倒立摆系统系统是在原来的倒
18、立摆系统上加入了自由振荡环节:自由弹簧系统。对系统动态特性进行分析后发现,弹簧的弹性系数如果越小,将对电机驱动响应频率要求就越快,并且系统也越是趋近临界阻尼状态。系统的不足之处是,闭环系统的响应频率大小限制了弹簧系统的振荡频率。(5)柔性连接倒立摆系统系统依旧和以上系统相似,唯一的区别之处是摆杆由刚性变为了柔性。一时激起千层浪,其他方面的研究也就有了大的变化,当然控制方法还是略微有些差异,如线性的非线性化。目前仍然在被研究的问题是对柔性系统的振动和分布参数系统的特性及其系统控制器的设计。(6)倒立摆系统其他系统其他类的倒立摆系统主要不同于是其机械额结构或被控对象的一些特性改变,但对于其控制方面
19、的研究还是基本相似,不存在其他类别的控制方法,只是在计算和预测方面有了些许变化。多级倒立摆系统有这两种基本形式:并联式倒立摆系统和串联式倒立摆系统。串联倒立摆系统指多个摆杆的首尾相连在一起,其中各摆杆任意一个的角度、角速度、角加速度改变都会对其他的摆杆角度、角速度、角加速度产生连带影响。并联倒立摆系统指多个摆杆底端都连接在同一小车上,对系统的控制只与水平连杆的角速度、角加速度有关4。1.3.2 倒立摆特性倒立摆系统为了使其建模简单,当在忽略空气阻力、电机以及传动设备间产生的静摩攘力、设备之间连接处的松紧程度、摆杆连接处的质量分布均匀情况、传动皮带的弹性大小、传动齿轮的间隙大小等多种因素作用的情
20、况下,使得倒立摆系统有如下特性:(1)欠冗余性倒立摆的控制系统使用单电机驱动进行,所以它与冗余机构像冗余机器人有着许多不同。而采用欠冗余的设计是为了在不失去系统可靠性的情况下节省成本和必要的有效名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 36 页 - - - - - - - - - 绪论3 空间。(2)非线性倒立摆的非线性是其特性之一,由于非线性的不可控性及难以控制的特性,所以我们要模糊化得到其类似的线性模型。线性化控制后,也可以用非线性控制系统理论来进行控制。目前,
21、倒立摆的非线性控制已成为一个热门的研究课题。(3)不确定性由于倒立摆的安装方式或存在误差,或者设备间都自带有些许不可控的摩擦,所以在控制中或多或少都有些不确定因素5。但为了达到一些极具可能的误差减小,或者直接忽略的目的,所以给其加一个夹紧力,使得机械设备的缝隙都连贯且亲密的接触,以达到减弱误差,不确定对系统的影响。(4)耦合性在倒立摆系统中,摆杆与运动模块之间有很强的耦合关系6。在倒立摆的控制中,倒立摆的控制主要是在平衡点附近,并且将忽略一些次要的耦合量。(5)不稳定性倒立摆控制系统具有一个临界稳定平衡点,在垂直方向上,向上不稳定,向下则稳定。开环时微小的扰动干扰量都将可能会使系统离开垂直向上
22、的状态而进入到垂直向下的状态中,固系统基本都存在类似的不稳定性。1.4 倒立摆控制方法1.4.1 经典控制(1)PID 控制倒立摆系统力学分析,利用牛顿定律对运动方程进行简化后,在忽略了某些干扰因素在平衡点附近的线性化,进而求出传递函数7。当满足系统特征方程的根是在左半平面的情况下设计闭环控制器。控制原理简单,鲁棒性好,直观易懂,易工程实现,还有许多其他优点。(2)状态反馈控制极点配置方法是在稳态特性和动态特性条件都达到的情况下,设计出相应的状态空间反馈控制器,满足闭环系统极点配置的条件。其根本目的就是用比例反馈的方法来到达改变运动方式,从而使系统达到所要求的性能指标8。(3)线性二次型最优控
23、制 (LQR) 通过寻找其最佳状态反馈控制律,使得所需的性能指标最小的最优控制。通过相应的 RICCATTI 方程的求解来到达到线性的二次型性能指标,用此指标来设计相应的控制器方法所设计的的控制器人们称为LQR控制器。1.4.2 流行控制(1)预测控制预测控制是新型一类的计算机控制的方法。预测控制的基本特征有:预测模型、滚动优化、参考轨迹、反馈校正9。由于它对滚动进行优化并且多次多步进行测试和采用反馈的方面的校正控制环节,所以其控制效果相比起普通方法较好。(2)内模控制在当今工业中所使用的近半预测控制算法的实质都是属于内模控制10。内部模型控制是一种基于过程控制的数学模型的控制方法,是一种比较
24、新型的控制方法。(3)变结构控制变结构控制由切换面选择、控制的求取构成其两大部分。它所具有的优异的鲁棒性、对干扰的完全自适应性、对应匹配的不确定性都是其滑模变结构的特性。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 36 页 - - - - - - - - - 东北林业大学本科生毕业设计4 (4)自适应控制自适应就像是指生物一样能改变自己的生活习性,并且适应新环境的特征。它能够修正自己的一些特性来适应扰动的变化是其自适应的特点。自适应控制的特点就是能在控制中自动学习完善
25、自己,就像是梦想中的机器人一样,可以脱离人类的控制。如果要是有灵魂,从某种程度上已可以和生物类别。但由于它的经验少,所以可以自动完善自我。它的控制方法直观、明确,更无需复杂的推理计算是其模糊控制器的优点11。1.4.3 潜在控制(1)模糊控制模糊控制从字面意思上看就是不清晰,模模糊糊的,但实际上模糊相对来说复杂。其具有五大组成部分,分别为传感器感受被控对象,通过过程通道以及控制器然后通过执行机构对所要控制的被控对象进行控制。他的优点就是不需要建立其他控制所必要的模型,只需要有经验的人员对数据进行分析分类,更是由于极好的鲁棒特性,使得在有大的延迟的非线性控制中应用广泛。模糊控制与传统控制方法不同
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2022年倒立摆控制系统设计 2022 倒立 控制系统 设计
限制150内