自动控制理论课程设计--直线一级倒立摆控制器设计.doc
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1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书(论文)课程名称: 自动控制理论课程设计 设计题目: 直线一级倒立摆控制器设计 院 系: 电气学院电气工程系 班 级: 设 计 者: 学 号: 指导教师: 设计时间: 2016.6.6-2016.6.19 手机号码: 哈尔滨工业大学教务处 姓 名: 院 (系):电气学院电气工程系 专 业:电气工程及其自动化 班 号: 任务起至日期: 2016 年6月6 日至2016年6月19日 课程设计题目: 直线一级倒立摆控制器设计 已知技术参数和设计要求: 本课程设计的被控对象采用固高公司的直线一级倒立摆系统GIP-100-L。 系
2、统内部各相关参数为: M小车质量0.5 Kg ;m摆杆质量0.2 Kg ;b小车摩擦系数0.1 N/m/sec ;l摆杆转动轴心到杆质心的长度0.3 m ;I摆杆惯量0.006 kg*m*m ;T采样时间0.005秒。 设计要求: 1推导出系统的传递函数和状态空间方程。用 Matlab 进行阶跃输入仿真,验证控制对象的稳定性。 2采用传统的时域或频域设计方法设计PID控制器,并给出设计步骤,使得当在小车上施加0.1N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。 3设计状态空间极点配置控制器,使得当在小车上施加0.2m的阶跃
3、信号时,闭环系统的响应指标为: (1)摆杆角度和小车位移x的稳定时间小于3秒 (2)x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%。 工作量:1. 建立直线一级倒立摆的线性化数学模型;2. 倒立摆系统的 PID 控制器设计、MATLAB 仿真及实物调试;3. 倒立摆系统的极点配置控制器设计、MATLAB 仿真及实物调试。 工作计划安排: 2016.6.6 实物调试; 2016.6.7-2.16.6.9 建立直线一级倒立摆的线性化数学模型; 倒立摆系统的PID控制器设计、MATLAB仿真; 倒立摆系统的极点配置控制器设计、MATLAB仿真。 2016.
4、6.10-2016.6.12 撰写课程设计论文。 同组设计者及分工: 调试部分由小组共同完成。 设计部分及课程设计论文撰写各自独立完成。 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见: 教研室主任签字_ 年 月 日*注:此任务书由课程设计指导教师填写。哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文) 直线一级倒立摆控制器设计摘要:采用牛顿欧拉方法建立了直线一级倒立摆系统的数学模型。采用MATLAB分析了系统开环时倒立摆的不稳定性,运用根轨迹法设计了控制器,增加了系统的零极点以保证系统稳定。采用固高科技所提供的控制器程序在MATLAB中进行仿真分析,将电脑与倒立摆连接进行实时控制。在MATLAB中分析了系统的
5、动态响应与稳态指标,检验了自动控制理论的正确性和实用性。0. 引言摆是进行控制理论研究的典型实验平台,可以分为倒立摆和顺摆。许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等,都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来,通过倒立摆系统实验来验证我们所学的控制理论和算法,非常的直观、简便,在轻松的实验中对所学课程加深了理解。由于倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性,许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象,不断从中发掘出新的控制策略和控制方法。本次课程设计中以一阶倒立摆为被控对象,了解了用古典控制理论设计控制器(如PID控制器)的设计方法和用现代控制
6、理论设计控制器(极点配置)的设计方法,掌握MATLAB仿真软件的使用方法及控制系统的调试方法。1. 系统建模 一级倒立摆系统结构示意图和系统框图如下。其基本的工作过程是光电码盘1采集伺服小车的速度、位移信号并反馈给伺服和运动控制卡,光电码盘2采集摆杆的角度、角速度信号并反馈给运动控制卡,计算机从运动控制卡中读取实时数据,确定控制决策(小车运动方向、移动速度、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,通过皮带带动小车运动从而保持摆杆平衡。 图1 一级倒立摆结构示意图 图2 一级倒立摆系统框图 图3 直线一级倒立摆模型 采用牛顿欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统,忽略
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