【正文】 對倒立擺系統(tǒng)的控制。要求倒立擺系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性。遺傳算法是美國密歇根大學(xué)Holland教授倡導(dǎo)發(fā)展起來的, 是仿真生物學(xué)中的自然遺傳和達爾文進化理論而提出的并行隨機優(yōu)化算法。利用云模型實現(xiàn)智能控制倒立擺。從上世紀(jì)90年代開始，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制倒立擺的研究有了快速的發(fā)展。從上世紀(jì)70年代初期開始，狀態(tài)反饋理論對不同類型倒立擺的控制問題成了當(dāng)時的一個研究熱點。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀自倒立擺系統(tǒng)產(chǎn)生以來，國內(nèi)外研究者就不斷的進行著研究，國外有學(xué)者提出了bangbang的穩(wěn)定控制。把ADAMS和MATLAB聯(lián)合起來仿真，可以將機械系統(tǒng)仿真分析同控制設(shè)計仿真有機地連接，將兩種軟件的優(yōu)勢結(jié)合起來。所以，研究倒立擺系統(tǒng)對以后的教育研究領(lǐng)域和控制研究領(lǐng)域具有非常深遠的影響。因此，許多現(xiàn)在控制理論的研究人員一直將它視為典型的研究對象。 它的這些特性使得許多抽象的控制理論概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性等等，都可以通過單級倒立擺系統(tǒng)實驗直觀的表現(xiàn)出來。本課題在深入理解倒立擺基本原理的基礎(chǔ)上，確立單級倒立擺控制為本文的研究課題。非線性問題、魯棒性問題、鎮(zhèn)定問題、隨動問題以及跟蹤問題等各種控制中的典型問題都可以通過對倒立擺系統(tǒng)的研究得到有效的反映。關(guān)鍵詞：ADAMS；MATLAB；倒立擺；聯(lián)合仿真Design of inverted pendulum based on the cosimulation of ADAMS and MATLABAbstract: The control of inverted pendulum system is a nonlinear,plex, unstable,system, It’s an ideal experimental platform of control theory teaching and carrying out of various control experiments. Control methods of inverted pendulum are widely used in military, aerospace, robotics and general industrial fields, such as robot balance control in rocket launch, the verticality control and satellite flight attitude control. This paper first respectively by MATLAB and ADAMS for modeling and Simulation of the inverted pendulum system, and then bining the two for the PID control, the control of inverted pendulum system are realized by three methods. The simulation results contrast and plement each other, fully demonstrated the characteristics of various simulation methods, and intuitive proves the advantages and significance of bined simulation using this two kinds of software.Key words: ADAMS,MATLAB,inverted pendulum, cosimulation 目 錄第1章 緒 論 1 課題研究背景與意義 1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 本論文主要內(nèi)容 2第2章 倒立擺的數(shù)學(xué)模型及控制方法 3 建模方法的選擇 3 倒立擺系統(tǒng)模型 3 控制方法的選擇 6 PID算法簡介 6本章小結(jié) 8第3章 基于MATLAB的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計 10 MATLAB軟件簡介 10 倒立擺系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)定性分析 11 擺桿角度PID控制 12 小車位移PID控制 13 Simulink模型構(gòu)建 14 系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性分析 14 系統(tǒng)脈沖響應(yīng)分析 15 系統(tǒng)階躍響應(yīng)分析 17本章小結(jié) 19第4章 基于ADAMS的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計 20 ADAMS軟件介紹 20 ADAMS簡介 20 ADAMS軟件組成 20 ADAMS中倒立擺控制方案 22 倒立擺ADAMS模型建立 22 PID控制 24 不加控制時系統(tǒng)仿真分析 24 PID控制時系統(tǒng)仿真分析 26本章小結(jié) 27第5章 基于MATLAB和ADAMS聯(lián)合仿真的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計 29 ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真意義 29 ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真過程 29 建立ADAMS模型 29 確定ADAMS的輸入輸出 30 ADAMS與MATLAB的連接 31 構(gòu)建控制模型 32 聯(lián)合仿真 34本章小結(jié) 35總 結(jié) 36致 謝 37參考文獻 38 第1章 緒 論 課題研究背景與意義倒立擺控制系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定的、復(fù)雜的、非線性系統(tǒng), 主要是由導(dǎo)軌、小車和各級擺桿組成。本文先分別用MATLAB和ADAMS兩種軟件對倒立擺系統(tǒng)進行建模仿真，然后將兩者聯(lián)合仿真，采用PID控制，用三種方法實現(xiàn)了對倒立擺系統(tǒng)的的控制。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文基于ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真的倒立擺設(shè)計摘要：倒立擺控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng),是進行控制理論教學(xué)及開展各種控制實驗的理想實驗平臺。倒立擺的控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。仿真結(jié)果互相對比、補充，充分展現(xiàn)了各種仿真方法的特點，并直觀的論證出利用兩種軟件進行聯(lián)合仿真的優(yōu)點和意義。其在控制理論教學(xué)中有重要的作用，同時它也是開展各種控制實驗的的理想實驗平臺。通過對倒立擺的控制，可以用來檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力。單級倒立擺系統(tǒng)是一個典型多變量、不穩(wěn)定和強耦合的非線性系統(tǒng)。而作為實驗裝置，它本身又具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、便于仿真、形象直觀的特點。而在歐美發(fā)達國家的許多高等院校，也將它視為必備的控制理論教學(xué)實驗設(shè)備。ADAMS能夠?qū)Ω鞣N機械系統(tǒng)進行建模、仿真和分析，建模直觀、清晰，同時具有十分強大的運動學(xué)和動力學(xué)分析功能；MATLAB 具有強大的計算功能，計算結(jié)果和程序設(shè)計的可視化也令它的使用更加的方便和廣泛，是控制理論中使用最廣泛的軟件。本課題以實驗室典型控制系統(tǒng)倒立擺為對象，對其進行機電機電一體化聯(lián)合分析。在60年代后期，控制理論界提出了倒立擺的概念，受到世界各國許多科學(xué)家的重視。上世紀(jì)80年代后期，將模糊理論應(yīng)用于單級倒立擺的控制，取得了很大的成功。另外，還有其他的控制方法用于倒立擺的控制。利用云模型的方法，不用建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)人的感覺、經(jīng)驗和邏輯判斷，將人用語言值定性表達的控制經(jīng)驗，通過語言院子和云模型轉(zhuǎn)換到語言控制規(guī)則器中，解決了倒立擺控制的非線性問題和不確定性問題。 本論文主要內(nèi)容設(shè)計要求：利用動力學(xué)仿真軟件ADAMS搭建倒立擺的虛擬仿真系統(tǒng)，進行運動學(xué)及動力學(xué)仿真；通過ADAMS與MATLAB的接口模塊ADAMS/control，利用MATLAB/Simulink模塊搭建倒立擺的聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)，設(shè)計合適的參數(shù)，使?jié)M足性能指針要求；實現(xiàn)基于MATLAB與ADAMS的倒立擺的聯(lián)合仿真。在對設(shè)計要求的充分理解下，本文中完成了單級倒立擺的建模工作，包括數(shù)學(xué)建模和ADAMS軟件建模，重點論述了用ADAMS建模的過程以及其和MATLAB聯(lián)合仿真的具體步驟和過程。通過這三種方法，可以很直觀的體會到ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真的優(yōu)點。實驗建模就是通過在研究對象上加上一系列的研究者事先確定的輸入信號，激勵研究對象并通過傳感器檢測其可觀測的輸出，應(yīng)用數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)的輸入－輸出關(guān)系。機理建模就是在了解研究對象的運動規(guī)律基礎(chǔ)上，通過物理、化學(xué)的知識和數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)內(nèi)部的輸入－狀態(tài)關(guān)系。但是忽略掉一些次要的因素后，倒立擺系統(tǒng)就是一個典型的運動的剛體系統(tǒng)，可以在慣性坐標(biāo)系內(nèi)應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)理論建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程。為了方便研究倒立擺系統(tǒng)的控制方法，建立一個比較精確的倒立擺系統(tǒng)的模型是必不可少的。本文采用牛頓—歐拉方法建立直線型一級倒立擺系統(tǒng)的模型?？刂戚斎霝轵?qū)動力F（N），是由拖動小車的直流伺服電機提供的；被控制量是擺桿與垂直位置方向夾角θ（rad）和小車的位移x（m）。圖21 倒立擺模型實際倒立擺系統(tǒng)的模型參數(shù)：M ：小車的品質(zhì)，；m ：擺桿的品質(zhì)，；b ：小車的摩擦系數(shù)，(m/sec)；L ：擺桿的中心到轉(zhuǎn)軸的長度，J ：擺桿對重心的轉(zhuǎn)動慣量，m2；T ：采樣周期，；對小車進行受力分析，圖中P和N分別表示擺桿運動在水平方向和垂直方向上對小車的作用力(N)，fv是小車的摩擦力，等于。以小車與擺的節(jié)點為坐標(biāo)原點取坐標(biāo)系，對擺桿進行受力分析，小車和擺桿受力分析如圖22所示。合并這兩個方程，約去