2022年直线一级倒立摆控制器设计 .pdf
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1、哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-1-Harbin Institute of Technology课程设计说明书(论文)课程名称:自动控制理论课程设计设计题目:直线一级倒立摆控制器设计院系:电气工程及其自动化学院班级:设 计 者:学号:指导教师:郭犇哈尔滨工业大学名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-2-哈尔滨工业大学课程设计任务书姓名:杨远航院(系):电气学院专业:电气工程及其自动化班号:0806141 班任务起至日期:2011 年 6 月 14 日至2011年6 月 25 日课程设计题目:一阶倒立摆控制器设计已知
2、技术参数和设计要求:本课程设计的被控对象采用固高公司的一阶倒立摆系统GIP-100-L。系统内部各相关参数为:M小车质量0.5 Kg;m 摆杆质量0.2 Kg;b小车摩擦系数0.1 N/m/sec;l摆杆转动轴心到杆质心的长度0.3 m;I摆杆惯量0.006 kg*m*m;T采样时间0.005 秒。设计要求:1推导出系统的传递函数和状态空间方程。用Matlab 进行脉冲输入仿真,验证系统的稳定性。2设计 PID 控制器,使得当在小车上施加1N 的脉冲信号时,闭环系统的响应指标为:(1)稳定时间小于5 秒;(2)稳态时摆杆与垂直方向的夹角变化小于0.1 弧度。3设计最优控制器,使得当在小车上施加
3、0.2m 的阶跃信号时,闭环系统的响应指标为:(1)摆杆角度和小车位移x 的稳定时间小于5 秒(2)x 的上升时间小于1 秒(3)的超调量小于20 度(0.35 弧度)(4)稳态误差小于2%。工作量:1.建立一阶倒立摆的线性化数学模型;2.倒立摆系统的PID 控制器设计、MATLAB 仿真及实物调试;3.倒立摆系统的最优控制器设计、MATLAB 仿真及实物调试。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-3-工作计划安排:第一周:理论准备,建立直线一级倒立摆的线性化数学模型;第二周:倒立摆系统的PID 控制器的设计、极点配置控
4、制器设计、MATLAB 仿真、实验。第三周:内容补充及撰写课程设计论文。同组设计者及分工:各项工作独立完成指导教师签字_ 年月日教研室主任意见:教研室主任签字_ 年月日*注:此任务书由课程设计指导教师填写。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-4-1、理论模型建立和分析1.1 直线一级倒立摆数学模型的推导对于忽略空气阻力和各种摩擦之后,直线一级倒立摆系统抽象为小车和匀质杆组成的系统。MPNFbpmgNIx图 1-1 倒立摆系统小车和摆杆的受力分析本系统参数定义如下:M小车质量;m摆杆质量。b小车摩擦系数;l摆杆转动轴心到
5、杆质心的长度;I摆杆惯量;F加在小车上的力;x小车位置;摆杆与垂直向上方向的夹角。摆杆与垂直向下方向的夹角方程为:M xFbxN(1-1)因此主动控制力可近似线性化地表示为:22sindNmxldt(1-2)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-5-即:2c o ss i nNm xm lm l(1-3)代入前面式子:2cossinMmxbxmlmlF(1-4)垂直方向上:22cosdPmgmldt(1-5)即:2sincosPmgmlml(1-6)力矩平衡方程:sincosPlNlI(1-7)注意等式前面的负号,由于,
6、coscos,sinsin22sincosImlmglmlx(1-8)1微分方程模型设,近似处理:2cos1,sin,()0ddt设 u=F,则:2MmxbxmluImlmglmlx(1-9)2.传递函数模型对上式拉氏变换处理,设初始条件为0,则:22222()()()()()()()MmX s sbXsmls sUsImls smglsmlXs s(1-10)输出为角度为,由第二式得到22()()ImlgXssmls(1-11)或者222()()smlsXsImlsmgl(1-12)如果令x,则有名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计
7、说明书(论文)-6-22()()smlVsImlsmgl(1-13)把上式代入10 式,则有:22222()()()()ImlImlggMms sbs smls sUsmlsmls(1-14)整理:212432()()()mlssqGsUsbImlMmmglbm glssssqqq(1-15)其中22qMmImlml从而,有222222432222432()()()()()XssGssUsmlsImlsmglqmlsbImlMmmglbm glssssqqqIm lmglsqqbImlMmmglbm glssssqqq(1-16)3.状态空间数学模型XAXBuYC XD u,可得状态方程名师资
8、料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-7-2222222222xxIm lbImlm glxxuIMmM mlIMmM m lIMmM m lm glMmmlbmlxuIMmM m lIMmM m lIMmM ml22222222220100000000100010000010 xxImlbImlm glxxIMmMmlIMmMmlIMmMmlumlbmglMmmlIMmMmlIMmMmlIMmMmlxy00 xxu1.2 系统阶跃响应分析1.2.1、阶跃响应源程序:参考模型%实际系统参数M=0.5;m=0.2;b=0.1;l
9、=0.3;I=0.006;g=9.8;T=0.005;%求传递函数 gs(输出为摆杆角度)和gspo(输出为小车位置)q=(M+m)*(I+m*l2)-(m*l)2;num=m*l/q 0;den=1 b*(I+m*l2)/q-(M+m)*m*g*l/q-b*m*g*l/q;gs=tf(num,den);numpo=(I+m*l2)/q 0-m*g*l/q;denpo=1 b*(I+m*l2)/q-(M+m)*m*g*l/q-b*m*g*l/q 0;gspo=tf(numpo,denpo);%求状态空间 sys(A,B,C,D)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页,共 22
10、 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-8-p=I*(M+m)+M*m*l2;A=0 1 0 0;0-(I+m*l2)*b/p m2*g*l2/p 0;0 0 0 1;0-m*b*l/p m*g*l*(M+m)/p 0;B=0;(I+m*l2)/p;0;m*l/p;C=1 0 0 0;0 0 1 0;D=0;sys=ss(A,B,C,D);%通过传递函数求系统(摆杆角度和小车位置)的开环阶越响应t=0:T:5;y1=step(gs,t);y2=step(gspo,t);figure(1);plot(t,y2,b,t,y1,r);axis(0 2.5 0 80);legend(Car Po
11、sition,Pendulum Angle);1.2.2、仿真结果:通过传递函数求系统(摆杆角度和小车位置)的开环阶越响应00.511.522.501020304050607080Car PositionPendulum Angle图 1-2 摆杆和小车位置的开环阶跃响应注:左边红色代表小车位置,右边蓝色代表摆杆角度响应。可以看出:小车位置和摆杆角度都是发散的。1.3 稳定性验证一级倒立摆系统稳定性分析:我们都知道控制系统的稳定性是其能否正常工作的首要条件,是分析其他特性的基础,也是系统一个最基本的性能要求。在控制领域中,判断系统是否稳定有许多方法比如劳斯判据,赫尔维茨判据,最传统也最简单的方
12、法就是判断系统的特征根是否都具有负实部,如是,系统稳定;不是,即特征根有在坐标轴右边的,则系统不稳定。我们采用的方法就是:判断特征根法。状态空间计算结果:A=0 1.0000 0 0 0 -0.1818 2.6727 0 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-9-0 0 0 1.0000 0 -0.4545 31.1818 0 B=0 1.8182 0 4.5455 C=1 0 0 0 0 0 1 0 D=0 0 极点结果:p=0 5.5651-0.1428-5.6041 极点分布如下图,因系统有一个极点在s 平面的右半
13、平面上,有一个极点在原点,所以系统不稳定。图1-3 极点分布2、PID 控制器设计与调节2.1PID 控制分析PID 控制是按偏差e 的比例(P-Proportional)、积分(I-Integral)和微分(D-Derivative)线形组合进行控制的控制方法。由于PID 控制器具有简单的控制结构,在实际应用中又比较易于整定,所以它在工业过程控制中有着很广泛的应用。又由于大多数PID 控制器是现场调节的,所以利用不同类型的调节律可以的PID 控制器进行精确而细致的现场调节。下面通过实验来说明PID 控制在倒立摆系统中的应用。这个控制问题和我们以前遇到的标准控制问题有些不同,在这里输出量为摆杆
14、的位置,它的初始位置为垂直向上,我们给系统施加一个扰动,观察摆杆的响应。系统框图如下:名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-10-图 2 1 考虑摆角和输入信号的系统框图图中)(sKD是控制器传递函数,)(sG是被控对象传递函数。考虑到输入0)(sr,结构图可以很容易的变换成:图 2 2 考虑摆角但不考虑输入信号的系统框图该系统的输出为)()()()()()()(1)()()(1)()(sFnumnumPIDdendenPIDdenPIDnumsFdendenPIDnumnumPIDdennumsFsGsKDsGsy(2
15、 1)其中,num被控对象传递函数的分子项den被控对象传递函数的分母项numPID PID 控制器传递函数的分子项denPID PID 控制器传递函数的分母项被控对象的传递函数是212432()1()1mlssnumqGUsdenbImlMmmglbmglssssqqq(2 2)其中)()(22mlmlImMq名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-11-PID 控制器的传递函数为denPIDnumPIDsKsKsKsKKsKsKDIPDIPD2)(2 3)只需调节PID 控制器的参数,就可以得到满意的控制效果。前面讨
16、论的输出量只考虑了摆杆角度,那么,在我们施加扰动的过程中,小车位置如何变化?考虑小车位置,得到改进的系统框图如下:图 2 3 同时考虑摆角和小车位置且考虑输入信号的系统框图其中,)(1sG是摆杆传递函数,)(2sG是小车传递函数。由于输入信号0)(sr,所以可以把结构图转换成:图 2 4 同时考虑摆角和小车位置但不考虑输入信号的系统框图其中,反馈环代表我们前面设计的摆杆的控制器。注:从此框图我们可以看出此处只对摆杆角度进行了控制,并没有对小车位置进行控制。小车位置输出为:)()()()()()()()()()(1)()()(1)()(212112112212sFdennumnumPIDdend
17、endenPIDdendenPIDnumsFdendenPIDnumnumPIDdennumsFsGsKDsGsX(2 4)其中,1num,1den,2num,2den分别代表被控对象1 和被控对象2 传递函数的分子和分母。numPID和denPID代表 PID 控制器传递函数的分子和分母。下面我们来求)(2sG,根据第一章的推导,有名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页,共 22 页 -哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)-12-)()()(22ssgmlmlIsX(2 5)可以推出小车位置的传递函数为qbmglsqmglmMsqmlIbsqmglsqmlIsUsXsG)
18、()()()()()(223222(2 6)其中)()(22mlmlImMq可以看出,1den=2den=den,小车的算式可以简化成:)()()()()(12sFnumnumPIDkdendenPIDdenPIDnumsX(2 7)2.2PID 控制仿真2.2.1、摆杆角度讨论按题目要求,施加0.1N 的脉冲信号,观察指标。脉冲信号仿真源程序为:%考虑摆杆角度M=0.5;m=0.2;b=0.1;I=0.006;g=9.8;l=0.3;q=(M+m)*(I+m*l2)-(m*l)2;num1=m*l/q 0 0;den1=1 b*(I+m*l2)/q -(M+m)*m*g*l/q -b*m*g
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