倒立摆实验报告(pid控制)

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1、专业实验报告学生姓名学号指导老师实验名称倒立摆与自动控制原理实验实验时间7月5日一、实验内容（1）完成.直线倒立摆建模、仿真与分析；（2）完成直线一级倒立摆PID控制实验：1）理解并掌握PID控制的原理和方法，并应用于直线一级倒立摆的控制；2）在Simulink中建立直线一级倒立摆模型，通过实验的方法调整PID参数并仿真波形；3）当仿真效果达到预期控制目标后，下载程序到控制机，进行物理实验并获得实际运行图形。二、实验过程1.实验原理（1）直线倒立摆建模方法倒立摆是一种有着很强非线性且对快速性要求很高的复杂系统，为了简化直线一级倒立摆系统的分析，在实际的建模过程中，我们做出以下

2、假设：1、忽略空气阻力；2、将系统抽象成由小车和匀质刚性杆组成；3、皮带轮和传送带之间无滑动摩擦，且传送带无伸长现象；4、忽略摆杆和指点以及各接触环节之间的摩擦力。13实际系统的模型参数如下表所示：M小车质量0.618kgm摆杆质量0.0737kgb小车摩擦系数0.1N/m/secl摆杆转动轴心到杆质心的长度0.1225mI摆杆惯量0.0034kg*m*mg重力加速度9.8kg.m/s（3）直线一级倒立摆PID控制原理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，且不需对系统建立精确的模型，在

3、控制上应用较广。比例（P作用）增大，系统响应快，对提高稳态精度有益，但过大易引起过度的振荡，降低相对稳定性。微分（D作用）对改善动态性能和抑制超调有利，但过强，即校正装置的零点靠近原点或者使开环的截止频率增大，不仅不能改善动态性能，反而易引入噪声干扰。积分（I作用）主要是消除或减弱稳态误差，但会延长调整时间，参数调整不当容易振荡。2.实验方法（1）MatlabSimulink环境下电机控制实现在MATLABSimulink仿真环境中，利用“GoogolEducationProductsGT-400-SVBlockLibrary”建立模型，然后进行仿真并分析结果。（2）直线倒

4、立摆建模、仿真与分析利用牛顿-欧拉方法建立直线一级倒立摆系统的数学模型；利用MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”中的工具进行仿真分析。（3）直线一级倒立摆PID控制利用MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”来实现PID控制参数设定和仿真，并利用该参数来设定只限一级倒立摆的PID值，分析和仿真倒立摆的运行情况。133.实验装置直线单级倒立摆控制系统硬件结构框图如图1所示，包括计算机、I/O设备、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘反馈测量元件等几大部分，组成了一个闭环系统。图

5、1一级倒立摆实验硬件结构图对于倒立摆本体而言，可以根据光电码盘的反馈通过换算获得小车的位移，小车的速度信号可以通过差分法得到。摆杆的角度由光电码盘检测并直接反馈到I/O设备，速度信号可以通过差分法得到。计算机从I/O设备中实时读取数据，确定控制策略（实际上是电机的输出力矩），并发送给I/O设备，I/O设备产生相应的控制量，交与伺服驱动器处理，然后使电机转动，带动小车运动，保持摆杆平衡。图2是一个典型的倒立摆装置。铝制小车由6V的直流电机通过齿轮和齿条机构来驱动。小车可以沿不锈钢导轨做往复运动。小车位移通过一个额外的与电机齿轮啮合的齿轮测得。小车上面通过轴关节安装一个摆杆，摆杆

6、可以绕轴做旋转运动。系统的参数可以改变以使用户能够研究运动特性变化的影响，同时结合系统详尽的参数说明和建模过程，我们能够方便地设计自己的控制系统。图2一级倒立摆实验装置图上面的倒立摆控制13系统的主体包括摆杆、小车、便携支架、导轨、直流伺服电机等。主体、驱动器、电源和数据采集卡都置于实验箱内，实验箱通过一条USB数据线与上位机进行数据交换，另有一条线接220v交流电源。，其特征在于：其蜗杆通过轴承固定于基座上，与之啮合的涡轮扇的轴通过轴承固定于动座下边，大皮带轮轴一端联接电机，另一端电位计由支座固定于动座上并电机共轴，大皮带轮与2个小皮带轮通过皮带连结，并通过轴承固定于动座之

7、上；滑块固定联接于皮带轮之间的皮带上，同时滑块与动座固定的导轨动配合；摆杆机构通过下摆支座与滑块绞接；控制箱连电位计，电机。4.实验内容及步骤（1）直线倒立摆建模、仿真与分析1）应用经典力学的理论，结合实验手册建立直线一级倒立摆系统的抽象数学模型；（2）直线一级倒立摆PID控制实验1）PID控制参数设定及仿真在Simulink中打开如图5所示的直线一级倒立摆模型。图3基于PID控制的直线一级倒立摆Simulink仿真模型其中PIDController为封装（Mask）后的PID控制器，双击模块打开参数设