自动控制综合实验讲义解析教程文件.ppt

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1、自动控制综合实验讲义解析实验内容一、线性系统及非线性系统的matlab仿真二、非线性系统的物理模拟分析实验三、球杆系统的控制器设计、matlab仿真及实时控制四、倒立摆的控制器设计、matlab仿真及实时控制非线性系统的matlab仿真在matlab菜单选择：File/newmodel新建一个模板打开Simulink找：Ramp(斜坡)Relay（继电）Saturation（饱和）Deadzone（死区）Sinewave（正弦）Backlash（间隙）线性系统及非线性系统的matlab仿真Ramp（斜坡

2、）的设置Relay（继电）的设置线性系统及非线性系统的matlab仿真Saturation（饱和）Deadzone（死区）线性系统及非线性系统的matlab仿真Sinewave（正弦）Backlash（间隙）线性系统及非线性系统的matlab仿真继电型非线性系统向平面分析线性系统及非线性系统的matlab仿真Step设置relay设置线性系统及非线性系统的matlab仿真带速度负反馈的继电型非线性系统向平面分析线性系统及非线性系统的matlab仿真饱和非线性系统线性系统及非线性系统的matlab仿真Sa

3、turation（饱和）设置球杆系统球杆系统球杆系统数字控制原理图球杆系统仿真试验：实验一球杆系统数学模型的建立实验五根轨迹法设计球杆系统控制器实验六频率响应法设计球杆系统控制器实时控制实验七球杆系统在matlab下的实时控制球杆系统仿真实验：可以使用matlab中的m文件，也可以使用simulink搭建相应的系统进行仿真，实验指导书上程序仅供参考。实时控制实验：使用已经搭建好的matlab控制平台进行实时控制。在matlab的currentdirectory下拉菜单中找“googoltech”，然后再

4、找“ballbeam.mdl”，双击出现如下界面：球杆系统球杆系统注意事项：1、上图中只需要改变虚线框中的数据，即改变你设计的控制器参数和小球目标位置参数，其他的电机参数等不能改变。2、小球目标位置不要设置在杆的两端。3、在系统运行时不要用手或其他工具拉齿轮或球杆。4、建模时的一些参数：m——小球质量(28g)R——小球半径(14.5mm)J=0.4mR2L=400mmd=45mmg=-9.8m/s2倒立摆倒立摆装置被公认为自动控制理论中的典型试验设备。因为其控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过

5、程中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等均涉及到倒置问题，对倒立摆系统的研究在理论上和方法论上均有着深远得意义。倒立摆直线一级倒立摆一级倒立摆计算机控制系统的结构简图光电码盘1将小车的位移、速度信号反馈给伺服驱动器和运动控制卡，摆杆的角度、角速度信号则由光电码盘2反馈给运动控制卡和伺服驱动器。计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策（小车向那个方向移动、移动的速度、加速度等），并由运动控制卡来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，带

6、动小车运动，保持摆杆的平衡。直线一级倒立摆直线一级倒立摆一级倒立摆结构图直线一级倒立摆工作原理倒立摆的工作原理可简述为：用一种强有力的控制方法使小车以一定的规律来回跑动，从而使全部摆杆在垂直平面内稳定下来。这样的系统也就是倒立摆控制系统。通过上图可以看出，若小车不动，摆杆会由于重力倒下来；若在水平方向上给小车一个力，则摆杆受到一个力矩，这个力矩使摆杆朝与小车运动方向相反的方向运行，通过规律性的改变小车的受力方向使得摆杆在竖直方向上左右摆动，从而就实现摆杆在竖直方向上的动态平衡。直线一级倒立摆仿真实验：实

7、验一一级倒立摆建模及性能分析实验二一级倒立摆的超前校正控制仿真实验实验三一级倒立摆的PID控制仿真实验选作：实验四一级倒立摆的极点配置控制仿真实验实时控制：实验五一级倒立摆的PID实时控制实验选作：实验六一级倒立摆的极点配置实时控制实验PID控制基本原理及分析经典控制理论的研究对象主要是单输入单输出的系统，控制器设计时一般需要有关被控对象的较精确模型。PID控制器因其结构简单，容易调节，且不需要对系统建立精确的模型，在控制上应用较广。首先，对于倒立摆系统输出量为摆杆的角度，它的平衡位置为垂直向上的情况。

8、系统控制结构框图如下：直线一级倒立摆闭环系统图图中KD(s)是控制器传递函数，G(s)是被控对象传递函数。PID控制基本原理及分析考虑到输入r(s)=0，结构图可以很容易的变换成：直线一级倒立摆闭环系统简化图PID控制基本原理及分析该系统的输出为：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通过分析上式就可以得到系统的各项性能