一阶倒立摆控制专业系统设计Word文件下载.docx
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设计要求
设计(论文)的任务和基本要求,包括设计任务、查阅文献、方案设计、说明书(计算、图纸、撰写内容及规范等)、工作量等内容。
1.建立一阶倒立摆数学模型
2.做模型仿真试验
(1)给出Matlab仿真程序。
(2)给出仿真结果和响应曲线。
3.倒立摆系统的PID控制算法设计
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
并作PID控制算法的MATLAB仿真
4.倒立摆系统的最优控制算法设计
用状态空间法设计控制器,使得当在小车上施加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的稳定时间小于5秒
(2)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%。
指导教师签字:
系(教研室)主任签字:
2013年3月5日
1、建立一阶倒立摆数学模型
首先建立一阶倒立摆的物理模型。
在忽略空气阻力和各种摩擦之后,可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统,如图1所示。
系统内部各相关参数定义如下:
M小车质量
m摆杆质量
b小车摩擦系数
l摆杆转动轴心到杆质心的长度
I摆杆惯量
F加在小车上的力
x小车位置
φ摆杆与垂直向上方向的夹角
θ摆杆与垂直向下方向的夹角(考虑到摆杆初始位置为竖直向下)
1.一阶倒立摆的微分方程模型
对一阶倒立摆系统中的小车和摆杆进行受力分析,其中,N和P为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。
图1-2小车及摆杆受力图
分析小车水平方向所受的合力,可以得到以下方程:
(1-1)
由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式:
(1-2)
即:
(1-3)
把这个等式代入式(1-1)中,就得到系统的第一个运动方程:
(1-4)
为了推出系统的第二个运动方程,我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析,可以得到下面方程:
(1-5)
(1-6)
力矩平衡方程如下:
(1-7)
由于所以等式前面有负号。
合并这两个方程,约去P和N,得到第二个运动方程:
(1-8)
设,(φ是摆杆与垂直向上方向之间的夹角),假设φ<
<
1弧度,则可以进行近似处理:
。
用u代表被控对象的输入力F,利用上述近似进行线性化得直线一阶倒立摆的微分方程为:
(1-9)
2.一阶倒立摆的传递函数模型
对式(1-9)进行拉普拉斯变换,得:
注意:
推导传递函数时假设初始条件为0。
由于输出为角度φ,求解方程组的第一个方程,可得:
或
如果令,则有:
把上式代入方程组(2-1)的第二个方程,得:
整理后得到传递函数:
(2-6)
其中。
3.一阶倒立摆的状态空间模型
设系统状态空间方程为:
(3-1)
方程组(2-9)对解代数方程,得到解如下:
整理后得到系统状态空间方程:
(3-3)
摆杆的惯量为,代入(1-9)的第一个方程为:
得:
化简得:
(3-4)
设则有:
(3-5)
实际系统的模型参数如下:
M小车质量Kg
m摆杆质量Kg
b小车摩擦系数0.1N/m/sec
l摆杆转动轴心到杆质心的长度
I摆杆惯量kg*m*m
代入上述参数可得系统的实际模型。
摆杆角度和小车位移的传递函数:
摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为:
摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数:
以外界作用力作为输入的系统状态方程:
(4-4)
以小车加速度为输入的系统状态方程:
(4-5)
2、一阶倒立摆matlab仿真
实际系统参数如下,按照上面给出的例子求系统的传递函数、状态空间方程,并进行脉冲响应和阶跃响应的matlab仿真。
小车质量
摆杆质量
小车摩擦系数N/m/sec
摆杆转动轴心到杆质心的长度
摆杆惯量kg*m*m
采样时间
1.传递函数法
Matlab程序如下:
M=;
m=;
b=;
I=;
g=;
L=;
q=(M+m)*(I+m*L^2)-(m*L)^2;
num=[m*L/q00]
den=[1b*(I+m*L^2)/q-(M+m)*m*g*L/q-b*m*g*L/q0];
[r,p,k]=residue(num,den);
s=p;
得到传递函数的分子:
num=
00
以及传递函数分母:
den=
0
开环极点:
s=
由此可知,系统传递函数的多项式表达式为:
(2-1)
系统的开环极点为(s):
、、、,由于有一个开环极点位于平面的右半部,开环系统并不是稳定的。
系统的脉冲响应如下,由图也可见,系统并不稳定。
开环系统脉冲响应
2.状态空间法
状态空间法可以进行单输入多输出系统设计,因此在这个实验中,我们将尝试同时对摆杆角度和小车位置进行控制。
为了更具挑战性,给小车加一个阶跃输入信号。
我们用Matlab求出系统的状态空间方程各矩阵,并仿真系统的开环阶跃响应。
,执行这个文件,Matlab将会给出系统状态空间方程的A,B,C和D矩阵,N的阶跃信号时系统的响应曲线。
:
p=I*(M+m)+M*m*L^2;
>
A=[0100;
0-(I+m*L^2)*b/p(m^2*g*L^2)/p0;
0001;
0-(m*L*b)/pm*g*L*(M+m)/p0]
A=
000
000
B=[0;
(I+m*L^2)/p;
0;
m*L/p]
B=
C=[1000;
0010]
D=[0;
0]
C=
1000
0010
D=
matlab仿真的开环阶跃响应曲线如下图所示,系统并不稳定。
系统开环阶跃响应曲线
3、倒立摆系统的PID控制算法设计
1.实验要求与目的
●要求:
(2)弧度
●目的:
进一步熟悉PID控制器的设计方法,步骤,以及P、I、D三参数的调节方法。
2.理论分析
●PID控制原理
在模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。
常规PID控制系统原理框图如下图所示。
系统由模拟PID控制器KD(S)和被控对象G(S)组成。
PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值与实际输出值构成控制偏差
将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器。
其控制规律为
或写成传递函数的形式
式中:
——比例系数;
——积分时间常数;
——微分时间常数。
在控制系统设计和仿真中,也将传递函数写成
——积分系数;
——微分系数。
简单说来,PID控制器各校正环节的作用如下:
(1)比例环节:
成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。
(2)积分环节:
主要用于消除稳态误差,提高系统的型别。
积分作用的强弱取决于积分时间常数,越大,积分作用越弱,反之则越强。
(3)微分环节:
反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。
●摆杆角度控制
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:
图中是控制器传递函数,是被控对象传递函数。
考虑到输入,结构图可以很容易地变换成
该系统的输出为
其中:
——被控对象传递函数的分子项
——被控对象传递函数的分母项
——PID控制器传递函数的分子项
——PID控制器传递函数的分母项
被控对象的传递函数是
其中
PID控制器的传递函数为
只需调节PID控制器的参数,就可以得到满意的控制效果。
●小车位置控制
小车位置作为输出时,系统框图如下:
其中,是摆杆传递函数,是小车传递函数。
由于输入信号,所以可以把结构图转换成:
其中,反馈环代表我们前面设计的摆杆的控制器。
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:
其中,,,,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。
和代表PID控制器传递函数的分子和分母。
下面我们来求,根据前面实验二的推导,有
可以推出小车位置的传递函数为
可以看出,==,小车的算式可以简化成:
3.PID控制算法的MATLAB仿真
实际系统参数如下:
l摆杆转动轴心到杆质心的长度
I摆杆惯量kg*m*m
F加在小车上的力
x小车位置
T采样时间
摆杆的matlab仿真程序代码如下:
M=;
num1=[m*L/q00];
den1=[1b*(I+m*L^2)/q-(M+m)*m*g*L/q-b*m*g*L/q0];
Kp=1;
Ki=1;
Kd=1;
numPID=[KdKpKi];
denPID=[10];
num=conv(num1,denPID);
den=polyadd(conv(denPID,den1),conv(numPID,num1));
s=p
t=0:
:
5;
impulse(num,den,t)
axis([02010])
运行程序得到:
并得到仿真图像如下:
kp=ki=kd=1时的仿真响应图
可见此时系统并不稳定,此时应该首先调整kp,观察其响应的变化:
讲kp设置为150,得到并观察响应图如下:
+
图3-2,kp=150系统仿真图
可见此时系统两个闭环极点均在S平面做平面,系统稳定,系统稳定时间约为4秒,满足要求。
此时系统有极小的静态误差,根据系统对于精度的要求可酌情考虑是否添加积分控制,本文添加积分控制。
将积分参数设为5,得到
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