直線一級倒立擺控制器設計課程設計報告-文庫吧資料
2024-08-02 04:27本頁面
【正文】 程序，在MATLAB命令窗口中有編譯提示信息，在編譯成功后進行以下實驗。3. PID控制實驗1) 在MATLAB Simulink 中打開直線一級順擺實時控制程序。2. PID控制參數設定及MATLAB仿真實際系統(tǒng)的物理模型：在Simulink中建立如圖34所示的直線一級倒立擺模型：圖 34 直線一階倒立擺PID控制MATLAB仿真模型 經過多次調試將Kp、KI、KD的值分別設為50、10，用MATLAB仿真得到如下結果：圖 35 PID控制仿真結果從上面仿真結果可以看出，系統(tǒng)可以較好的穩(wěn)定，但由于積分因素的影響，穩(wěn)定時間明顯增大。由(213)可以得到擺桿角度和小車加速度的傳遞函數：PID控制器的傳遞函數為：只需調節(jié)PID控制器的參數，就可以得到滿意的控制效果。系統(tǒng)框圖如圖32所示：圖32 直線一級倒立擺閉環(huán)系統(tǒng)圖圖中KD(s)是控制器傳遞函數，G(s)是被控對象傳遞函數。 (3) 微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。 (2) 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的型別。在控制系統(tǒng)設計和仿真中，也將傳遞傳遞函數寫成式中：——比例系數；——積分系數；——微分系數。圖 31 常規(guī)PID控制系統(tǒng)圖PID控制器是一種線性控制器，它是根據給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t)將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖31所示。三．一階倒立擺PID控制器設計設計指標要求：設計PID控制器，閉環(huán)系統(tǒng)的響應指標為：（1） 穩(wěn)定時間小于5秒；（2） 。3. 一階倒立擺的狀態(tài)空間模型設系統(tǒng)狀態(tài)空間方程為： （31）方程組（29）對解代數方程，得到解如下：（31）整理后得到系統(tǒng)狀態(tài)空間方程：（32）（33）擺桿的慣量為，代入（19）的第一個方程為：得：化簡得：（34）設， 則有：（35）實際系統(tǒng)的模型參數如下:M 小車質量 Kg m 擺桿質量 Kg b 小車摩擦系數 0 .1N/m/sec l 擺桿轉動軸心到桿質心的長度 I 擺桿慣量 kg*m*m代入上述參數可得系統(tǒng)的實際模型。用u代表被控對象的輸入力F，利用上述近似進行線性化得直線一階倒立擺的微分方程為： （19）2. 一階倒立擺的傳遞函數模型對式(19)進行拉普拉斯變換，得：（21）注意：推導傳遞函數時假設初始條件為 0。圖 12 旋轉臂及擺桿受力圖 分析小車水平方向所受的合力，可以得到以下方程： （11）由擺桿水平方向的受力進行分析可以得到下面等式： （12）即： （13）把這個等式代入式(11)中，就得到系統(tǒng)的第一個運動方程：（14）為了推出系統(tǒng)的第二個運動方程，我們對擺桿垂直方向上的合力進行分析，可以得到下面方程： （15）即： （16）力矩平衡方程如下： （17）由于所以等式前面有負號。在忽略空氣阻力和各種摩擦之后， 可將直線一級倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質桿組成的系統(tǒng)，如圖1所示。計算機從運動控制卡中讀取實時數據，確定控制決策（小車運動方向、移動速度、加速度等），并由運動控制卡來實現控制決策，產生相應的控制量，使電機轉動，通過皮帶帶動小車運動嗎，保持擺桿平衡。一階倒立擺系統(tǒng)的結構示意圖如下所示：
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