直線一級(jí)倒立擺控制器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告(已修改)
2025-08-01 04:27 本頁(yè)面
【正文】 哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程系控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 姓 名： 院（系）：英才學(xué)院專 業(yè)：自動(dòng)化 班 號(hào)： 任務(wù)起至日期： 課程設(shè)計(jì)題目： 直線一級(jí)倒立擺控制器設(shè)計(jì)已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求： 本課程設(shè)計(jì)的被控對(duì)象采用固高公司的直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)GIP100L。 系統(tǒng)內(nèi)部各相關(guān)參數(shù)為:。 。 。 。 *m*m。 。設(shè)計(jì)要求：。用Matlab進(jìn)行階躍輸入仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標(biāo)為：（1）穩(wěn)定時(shí)間小于5秒；（2）。，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標(biāo)為：（1）擺桿角度和小車位移x的穩(wěn)定時(shí)間小于3秒（2）x的上升時(shí)間小于1秒（3）的超調(diào)量小于20度（）（4）穩(wěn)態(tài)誤差小于2%。工作量：；、Matlab仿真及實(shí)物調(diào)試；、Matlab仿真及實(shí)物調(diào)試。工作計(jì)劃安排：第3周：（1）建立直線一級(jí)倒立擺的線性化數(shù)學(xué)模型； （2）倒立擺系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)、Matlab仿真； （3）倒立擺系統(tǒng)的極點(diǎn)配置控制器設(shè)計(jì)、Matlab仿真。第4周：實(shí)物調(diào)試； 撰寫課程設(shè)計(jì)論文。同組設(shè)計(jì)者及分工： 各項(xiàng)工作獨(dú)立完成指導(dǎo)教師簽字 年 月 日 教研室主任意見：教研室主任簽字 年 月 日 *注：此任務(wù)書由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫。 一．直線一階倒立擺簡(jiǎn)介倒立擺是進(jìn)行控制理論研究的典型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。倒立擺是機(jī)器人技術(shù)、控制理論、計(jì)算機(jī)控制等多個(gè)領(lǐng)域、多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其被控系統(tǒng)本身又是一個(gè)絕對(duì)不穩(wěn)定、高階次、多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，可以作為一個(gè)典型的控制對(duì)象對(duì)其進(jìn)行研究。最初研究開始于二十世紀(jì)50 年代，麻省理工學(xué)院（MIT）的控制論專家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理設(shè)計(jì)出一級(jí)倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè)備。近年來(lái)，新的控制方法不斷出現(xiàn)，人們?cè)噲D通過(guò)倒立擺這樣一個(gè)典型的控制對(duì)象，檢驗(yàn)新的控制方法是否有較強(qiáng)的處理多變量、非線性和絕對(duì)不穩(wěn)定系統(tǒng)的能力，從而從中找出最優(yōu)秀的控制方法。倒立擺系統(tǒng)作為控制理論研究中的一種比較理想的實(shí)驗(yàn)手段，為自動(dòng)控制理論的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研構(gòu)建一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)撤N控制理論或方法的典型方案，促進(jìn)了控制系統(tǒng)新理論、新思想的發(fā)展。由于控制理論的廣泛應(yīng)用，由此系統(tǒng)研究產(chǎn)生的方法和技術(shù)將在半導(dǎo)體及精密儀器加工、機(jī)器人控制技術(shù)、人工智能、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、航空對(duì)接控制技術(shù)、火箭發(fā)射中的垂直度控制、衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制和一般工業(yè)應(yīng)用等方面具有廣闊的利用開發(fā)前景。 平面倒立擺可以比較真實(shí)的模擬火箭的飛行控制和步行機(jī)器人的穩(wěn)定控制等方面的研究。一階倒立擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下所示： 擺桿小車 滑軌 電機(jī) 圖11 一階倒立擺結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)組成框圖如下所示：倒立擺伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)控制卡伺服電機(jī)計(jì)算機(jī)光電碼盤1光電碼盤2圖12 一級(jí)倒立擺系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服機(jī)構(gòu)、倒立擺本體和光電碼盤幾大部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)。光電碼盤1將小車的位移、速度信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制卡，白干的角度、角速度信號(hào)由光電碼盤2反饋給運(yùn)動(dòng)控制卡。計(jì)算機(jī)從運(yùn)動(dòng)控制卡中讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確定控制決策（小車運(yùn)動(dòng)方向、移動(dòng)速度、加速度等），并由運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)皮帶帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)嗎，保持?jǐn)[桿平衡。二．直線一階倒立擺數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)首
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