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哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）  PAGE 19 Harbin Institute of Technology 课程设计说明书（论文） 课程名称： 控制系统课程设计 设计题目： 直线一级倒立摆控制器设计 院 系：航天学院控制科学与工程系 班 级： 0904102班 设 计 者： 李承靖 学 号： 1090410227 指导教师： 罗晶 设计时间：2012年8月27日至2011年9月7日  姓 名：李承靖 院 （系）：航天学院 专 业： 自动化 班 号：0904102 任务起至日期： 2011年 8月27 日至2011年9月7 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一级倒立摆系统GIP-100-L。 系统内部各相关参数为： 小车质量 0.5 Kg ；摆杆质量0.2 Kg ；小车摩擦系数0.1 N/m/sec ； 摆杆转动轴心到杆质心的长度0.3 m ；摆杆惯量0.006 kg*m*m ；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进行脉冲输入仿真，验证系统的稳定性。 2．设计PID控制器，使得当在小车上施加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 工作量： 1. 建立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仿真及实物仿真调试。  工作计划安排： 第1周：（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； （3）倒立摆系统的极点配置控制器设计、Matlab仿真。 第2周：实物调试； 撰写课程设计论文。  同组设计者及分工： 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 日直线一级倒立摆简介 倒立摆是进行控制理论研究的典型实验平台。倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高级次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。最初研究开始于二十世纪50 年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。 倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。由于控制理论的广泛应用，由此系统研究产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截控制系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制和一般工业应用等方面具有广阔的利用开发前景。 平面倒立摆可以比较真实的模拟火箭的飞行控制和步行机器人的稳定控制等方面的研究。 一级倒立摆系统的结构示意图如下所示： 摆杆 小车 滑轨 电机 图1-1 一级倒立摆结构示意图 系统组成框图如下所示： 倒立摆 伺服驱动器 运动控制卡 伺服电机 计算机 光电码盘1 光电码盘2 图1-2 一级倒立摆系统组成框图 系统是由计算机、运动控制卡、伺服机构、倒立摆本体和光电码