直线倒立摆控制试验-西安交通大学机械基础试验教学示范中心.docVIP

“直线倒立摆控制实验”教学大纲 The Experiment of Linear inverted pendulum control 课程中文名称：直线倒立摆控制实验 课程英文名称：The Experiment of Linear inverted pendulum control 课程编码（仿宋加粗小4号）： 实验学时：32 学分：1 适用专业：机械类 先修课程：《机械控制理论基础》 开课学院：机械工程学院 开课学期：第7、8学期 教材及实验指导书： [1]董霞、陈康宁、李天石主编《机械控制理论基础》 [2]何钺主编《现代控制理论基础》 [3]教学实验中心编，（机械工程实验Ⅱ） 实验课程简介 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，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，倒立摆的组成包括计算机、运动控制卡、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘、反馈测量元件等几大部分，组成一个闭环系统。对于直线型倒立摆，可以根据伺服电机自带的码盘反馈通过换算获得小车的位移，小车的速度信号可以通过差分法得到；各个摆杆的角度由光电码盘测得并直接反馈到控制卡，速度信号可以通过差分方法得到。计算机从运动控制卡中实时读取数据，确定控制策略（电机的输出力矩），并发送给运动控制卡。经过DSP 内部的控制算法实现控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，带动小车运动，保持摆杆平衡。 实验课性质、目的和任务性质： 性质：独立设置的开放实验。 目的：通过倒立摆实验平台上，开设《机械控制理论基础》课程PID控制实验；进一步学习《现代控制理论》中LQR控制方法，对直线一级、二级倒立摆进行控制。 任务：1、完成直线一级倒立摆PID控制。 2、完成直线一级倒立摆自动起摆控制。 3、完成二级倒立摆的LQR控制。 实验课教学基本要求 1．学习《MATLAB》-控制系统设计与仿真 2．学习《现代控制理论》---LQR控制原理。 实验教学的内容与要求 1．实验项目名称：直线一级倒立摆PID控制实验 实验目的： （1）对《机械控制理论基础》课程有更进一步的了解、学习和感性认识。 （2）填补《机械控制理论基础》课程实验的PID控制实验，理解并掌握PID控制原理和方法，对直线一级倒立摆PID控制实验。 教学基本要求： 了解固高倒立摆控制系统原理与组成（课外）； 建立直线一级倒立摆PID控制MATLAB仿真模型（课外）； PID控制参数设定及仿真（4学时）； PID控制实验（6学时）。 实验内容提要：经典控制理论的研究对象主要是单输入单输出的系统，控制器设计时一般需要有关被控对象的精确模型。PID控制器因其结构简单，容易调节，且不需要对系统建立精确的模型，在控制上应用较广。 PID控制系统由PID控制器和被控对象组成，工作原理是通过反馈回路，对偏差进行比例，积分，微分运算以达到控制偏差的目的，运算的和由控制器输出。对于倒立摆系统输出量为摆杆的角度，它的平衡位置为垂直向上的情况。 首先，建立系统控制框图，通过分析可得摆杆角度和小车加速度的传递函数与PID控制器的传递函数，由实际系统的物理模型在Simulink中建立直线一级倒立摆PID控制仿真模型，进行仿真与参数设定，经过实验可以看出，由于PID为单输入单输出系统，所以只能控制摆杆的角度，不能控制小车的位置，所以小车会往一个方向运动。 实验类型：验证性实验 必做或选做：必做 使用的主要仪器：固高直线一级倒立摆控制系统 2、实验项目名称：直线一级倒立摆自动起摆控制实验 实验目的： 拓宽学生知识面，培养学生钻研精神与自学能力。 将所学的知识进一步加深巩固与应用。 教学基本要求： 熟悉能量控制算法原理（课外）； 学习线型二次最优控制法---LQR控制原理（课外）； LQR参数调节及仿真（3学时）； 直线一级倒立摆起摆实验（7学时）。 实验内容提要：通过给直线一级倒立摆摆杆施加力，使其由初始状态为静止下垂状态转化到竖直向上的状态。应用能量控制算法，利用摆杆的转动惯量建立其动力方程，控制摆杆的角加速度与能量，以达到对小车的速度和位移的控制，设定LQR调节器参数，并使起摆成功，达到稳定。 对直线一级倒立摆进行分析与建模---用小车的加速度作为系统的输入，将摆杆角度和小车位置作为输出。得到其摆杆角度的传递函数及状态空间方程。对其数学模型进行Simulink仿真分析、熟悉实验方法；利用PID与LQR控制方法对系统进行控制。 实验类型：验证性实验 必做或选做：必做 使用的主要仪器：固高直线一级倒立摆控制系统 3、实验项目名称：直线二级倒立摆的控制实验 实验目的： 激发学生学习兴趣与严谨的工作作风，培养学生钻研精神与自学能力。