倒立摆pid控制及matlab仿真

《倒立摆pid控制及matlab仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、不稳定系统，对倒立摆的控制研究无论在理论上和方法上都有深远的意义。本论文以实验室原有的直线一级倒立摆实验装置为平台，重点研究其PID控制方法，设计出相应的PID控制器，并将控制过程在MATLAB上加以仿真。本文主要研究内容是：首先概述自动控制的发展和倒立摆系统研究的现状；介绍倒立摆系统硬件组成，对单级倒立摆模型进行建模，并分析其稳定性；研究倒立摆系统的几种控制策略，分别设计了相应的控制器，以MATLAB为基础，做了大量的仿真研究，比较了各种控制方法的效果；借助固高科技MATLAB实时控制软件实验平台；利用设计的控制方法对单级倒立摆系统

2、进行实时控制，通过在线调整参数和突加干扰等，研究其实时性和抗千扰等性能；对本论文进行总结，对下一步研究作一些展望。关键词：一级倒立摆，PID，MATLAB仿真III目录第1章自动控制概述11.1自动控制概念11.1.1开环控制11.1.2闭环控制21.2自动控制系统的分类21.2.1恒值系统、随动系统和程序控制系统21.2.2随机系统与自动调整系统31.2.3线性系统和非线性系统31.2.4连续系统与离散系统31.2.5单输入单输出系统和多输入多输出系统31.2.6集中参数系统和分布参数系统41.3对控制系统的性能要求41.4典型环节51.4.1比例环节51.4.2积分环节51.4

3、.3微分环节61.4.4惯性环节61.4.5时滞环节7第2章MATLAB仿真软件的应用92.1MATLAB的基本介绍92.2MATLAB的仿真92.3控制系统的动态仿真102.4小结12第3章直线一级倒立摆系统及其数学模型133.1系统组成133.1.1倒立摆的组成143.1.2电控箱143.1.3其它部件图14III3.1.4倒立摆特性153.2模型的建立153.2.1微分方程的推导163.2.2传递函数173.2.3状态空间结构方程183.2.4实际系统模型203.2.5采用MATLAB语句形式进行仿真21第4章PID控制理论234.1PID控制概述234.2PID的控制规律2

4、44.3数字PID控制254.3.1位置式PID控制算法264.3.2增量式PID控制算法274.4常用的PID控制系统274.4.1串级PID控制274.4.2纯滞后系统的大林控制算法284.4.3纯滞后系统的Smith控制算法294.4.4PID控制原理的特点314.4.5PID参数的调整314.4.6PID控制回路的运行32第5章直线一级倒立摆的PID控制器设计与调节345.1PID控制器的设计345.2PID控制器设计MATLAB仿真36结论41致谢42参考文献43III湖南工业大学本科生毕业设计第1章自动控制概述1.1自动控制概念在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术得

5、到了广泛的应用，自动控制技术最显著的特征就是通过对各类机器，各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福于社会。所谓自动控制，就是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量等于给定值或按给定信号变化规律去变化。为达到某一目的，由相互制约的各个部分，按一定的规律组织成的，具有一定功能的整体，称为系统，它一般由控制装置（控制器）和被控对象所组成。自动控制有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制[1]。1.1.1开环控制控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制。其特点是：系统结构和控制过程均很简单。开环控制的示意框图如图1.1所示图1.1开

6、环控制系统开环控制是一种简单的无反馈控制方式，在开环控制系统中只存在控制器对被控量对象的单方向控制作用，不存在被控制量(输出量)对被控量的反向作用，系统的精度取决于组成系统的元器件的精度和特性调整的精确度。开环系统对外扰及内部参量变化的影响缺乏抑制能力，但开环系统内构简单，比较容易设计和调整，可用于输出量与输入量关系为已知，内外扰动对系统影响不大，并且控制精度要求不高的场合。在开环控制系统中，对于每一个输入参考量，就有一个与之相对应的工作状态和输出量，系统的精度取决于元、器件的精度和特性调整的精度，当系统的内扰和外扰影响不大并且控制精度要求不高时，可采用开环控制方式。43湖南工业大

7、学本科生毕业设计1.1.2闭环控制控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，即有被控量对控制过程的影响。闭环控制的特点是：在控制器和被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在反馈作用，即系统的输出量对控制量有直接影响，将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与信号比较的过程称为反馈，若反馈信号与输入信号相减，则称负反馈。反之，若相加，则称正反馈，输入信号与反馈信号之差称为偏差信号，偏差信号作用于控制器上，控制器对偏差信号进行某种运算，产生一个控制作用，