基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计.doc

《基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计福州大学至诚学院本科生课程设计题目：基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计姓名：系别：电气工程及其自动化专业：电气工程与自动化目录1任务概述-----------------------------------------------------12系统建模-----------------------------------------------------23仿真验证-----------------------------------------------------54双闭环PID控制器

2、设计----------------------------------105仿真实验-----------------------------------------------------136检验系统的鲁棒性-----------------------------------------157结论--------------------------------------------------------------------198体会---------------------------------------------------

3、-----------------191任务概述1.1设计概述如图1所示的“一阶倒立摆控制系统”中，通过检测小车位置与摆杆的摆动角，来适当控制驱动电动机拖动力的大小，控制器由一台工业控制计算机(IPC)完成。图1一阶倒立摆控制系统这是一个借助于“SIMULINK封装技术——子系统”，在模型验证的基础上，采用双闭环PID控制方案，实现倒立摆位置伺服控制的数字仿真实验。1.2要完成的设计任务：（1）通过理论分析建立对象模型（实际模型），并在原点进行线性化，得到线性化模型；将实际模型和线性化模型作为子系统，并进行封装，将倒立摆的振子质量m和倒摆长度L作为

4、子系统的参数，可以由用户根据需要输入；（2）设计实验，进行模型验证；（3）一阶倒立摆系统为“自不稳定的非最小相位系统”。将系统小车位置作为“外环”，而将摆杆摆角作为“内环”，设计内化与外环的PID控制器；（4）在单位阶跃输入下，进行SIMULINK仿真；（5）编写绘图程序，绘制阶跃响应曲线，并编程求解系统性能指标：最大超调量、调节时间、上升时间；（6）检验系统的鲁棒性：将对象的特性做如下变化后，同样在单位阶跃输入下，检验所设计控制系统的鲁棒性能，列表比较系统的性能指标（最大超调量、调节时间、上升时间）。倒摆长度L不变，倒立摆的振子质量m从1kg分别

5、改变为1.5kg、2kg、2.5kg、0.8kg、0.5kg；倒立摆的振子质量m不变，倒摆长度L从0.3m分别改变为0.5m、0.6m、0.2m、0.1m。2系统建模2.1对象模型一阶倒立摆的精确模型的状态方程为：()/(+)()/()若只考虑θ在其工作点θ0=0附近的细微变化，这时可以将模型线性化，这时可以近似认为：0，θ，1；一阶倒立摆的简化模型的状态方程为：(θ)/()(θ)/()2.2模型建立及封装1、建立以下模型：图2模型验证原理图2、由状态方程可求得：Fcn:(4/3*u[1]+4/3*m*l*sin(u[3])*power(u[2],

6、2)-10*m*sin(u[3])*cos(u[3]))/(4/3*(1+m)-m*power(cos(u[3]),2))Fcn1:(cos(u[3])*u[1]+m*l*sin(u[3])*cos(u[3])*power(u[2],2)-10*(1+m)*sin(u[3]))/(m*l*power(cos(u[3]),2)-4/3*l*(1+m))Fun2:(4*u[1]-30*m*u[3])/(4+m)Fun3:(u[1]-10*(1+m)*u[3])/(m*l-4/3*l*(1+m))（其中J=mL^2/3，小车质量M=1kg，倒摆振子质量m

7、，倒摆长度2L，重力加速度g=10m/s^2）将以上表达式导入函数。3、匡选要封装区后选择[Edit>>CreateSubsystem]便得以下系统：图3子系统建立4、鼠标右击子系统模块，在模块窗口选项中选择[Edit>>EditMask>>Parameters]，则弹出如下窗口，添加参数m和l。图4添加参数5、将精确模型subsystem和简化模型subsystem1组合成以下系统以供验证（输入信号是由阶跃信号合成的脉冲，幅值及持续时间为0.1s）。图5系统模块封装3仿真验证3.1实验设计假定使倒立摆在(θ=0，x=0）初始状态下突加微小冲击力作

8、用，则依据经验知，小车将向前移动，摆杆将倒下。3.2编制绘图子程序1、新建M文件输入以下程序并保存。clcloadxy.m