一级倒立摆的控制设计

文档编号:ZD1019    文档字数:16641,页数:48

摘  要

     倒立摆系统是典型的机电一体化系统，其机械部分遵循牛顿的力学定律，其电气部遵循电磁学的基本定理因此，可以通过机理建模方法得到较为准确的系统数学模型，通过实际测量和实验来获取参数。反馈控制能对输出量于参考量进行比较，并且将它们的偏差量作为控制手段。通过数学模型的建立得原系统开环不稳定，所以设计一个控制系统，使得闭环稳定，得到一个新的系统。通过极点配置法，把系统配置到所期望的极点上，使得系统的主导闭环节点具有所期望的阻尼比和无阻尼自然频率。利用matlab求得所设计出系统的状态反馈增益矩阵，然后画出系统的simulink仿真图，对反馈系统进行仿真.对于所要达到所要求的响应速度和阻尼比，就要改变所希望的特征方程，从而求得新的反馈矩阵。直到仿真得到满意的结果。
 选用labview作为反馈控制系统的界面设计开发工具，在labview开发环境下来实现倒立摆系统各程序的功能。
 
 
 关键词：倒立摆，数学建模，反馈控制，matlab，limulink仿真，labview
 
 
    
Abstract
   Inverted pendulum is a typical integration of mechanical and electrical systems, the mechanical part of Newton's mechanics to follow the law, the Department of Electrical Electromagnetic follow the basic theorem Therefore, mechanism modeling methods can be more accurate mathematical model of the system, through the actual measurement and experiment To obtain Department. Feedback can control the volume of output in reference to compare, and the deviation of them as a means of control. Through the establishment of a mathematical model of the original open-loop system unstable, so the design of a control object without integrator of the type I Servo System, makes closed-loop stability, get a new system. By pole placement, the system configuration to the expectations of the pole, making the leading closed-loop system nodes have the desired damping ratio and non-damping natural frequency. Matlab obtained using a system designed by the state feedback gain matrix, and then draw the simulink simulation map, the feedback system simulation. For to achieve the required speed of response and damping ratio, it is necessary to change the desired characteristic equation, To seek new feedback matrix. Simulation until satisfactory results.
     Labview selected as a feedback control system interface design and development tools, development environment down in labview inverted pendulum system to achieve the functionality.
 
 Key words: inverted pendulum, mathematical modeling, feedback control, matlab, limulink simulation, labview
  
 

摘  要.I
AbstractII
第一章  绪论.1
1.1 研究背景及意义.1
1.2 本文档主要研究内容.2
第二章  倒立摆系统介绍.3
2.1 倒立摆的由来.3
2.2 倒立摆系统稳定性研究的意义.4
     2.3倒立摆研究的发展状况.4
     2.4 倒立摆系统及其工作原理 7
第三章  单级倒立摆的数学模型.8
3.1   模型的推导原理.8
3.2   对象物理模型实测参数.8
3.3   数学模型的建立9
3.4  可控性.可观性的判断12
3.5  开环稳定行判断.13
第四章  单级倒立摆系统的控制器算法.14
4.1 现代控制理论14
4.2 系统的极点配置设计方法14
4.3 极点配置算法15
     4.4系统闭环的仿真和相应15
4.5 线性二次最优控制21
第五章  系统的整体设计框架.24
5.1 设计说明24
5.2 设计结构图24
5.3 主要技术性能24
第六章  倒立摆装置（硬件）.25
6.1 结构形式25
6.2 检测电路25
6.3微分电路.26
6.4 功率放大电路27
6.6 直流稳压电路27
6.5 内接.外接的转换电路.27
6.6运放调零电路28
第七章  labview软件介绍.29
    7.1labvi概述29
    7.2labv程序组成.30
第八章 软件设计 .32
    8.1创建A和B、C矩阵.32
    8.2状态反馈控制倒立摆系统信号输出.33
    8.3数据采集卡（DAQ）-NI6014简介.33
    8.4数据采集 34
    8.5数据分析处理 35
    8.6数据显示 35
    8.7数据输出及显示.36
8.8控制器前面板和整体程序框图 37 
第九章 系统设置 39
    9.1说明39
9.2硬件设置和软件设置39
9.3 调试步骤.39
9.4 注意事项.39
9.5 设备装置.40
第十章 问题的分析与讨论41
    10.1 倒立摆系统非线性因素分析41
10.2倒立摆系统的干扰分析.42
总 结.43
  致 谢.43
参考文献.44

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