直线一倒立摆控制系统研究设计.docVIP

内蒙古科技大学 控制系统仿真设计说明书 题 目：直线一级摆的PID控制与校正 学生姓名：罗鹏飞 学 号：0967112208 专 业：测控技术与仪器 班 级：2009-2班 指导教师：张勇 摘 要 倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、不稳定系统，对倒立摆的控制研究无论在理论上和方法上都有深远的意义。 本论文以实验室原有的直线一级倒立摆实验装置为平台，重点研究其PID控制方法，设计出相应的PID控制器，并将控制过程在MATLAB上加以仿真。 本文主要研究内容是：首先概述自动控制的发展和倒立摆系统研究的现状；介绍倒立摆系统硬件组成，对单级倒立摆模型进行建模，并分析其稳定性；研究倒立摆系统的几种控制策略，分别设计了相应的控制器，以MATLAB为基础，做了大量的仿真研究，比较了各种控制方法的效果；借助固高科技MATLAB实时控制软件实验平台；利用设计的控制方法对单级倒立摆系统进行实时控制，通过在线调整参数和突加干扰等，研究其实时性和抗千扰等性能；对本论文进行总结，对下一步研究作一些展望。 关键词：一级倒立摆，PID，MATLAB仿真 目 录 摘 要 I 目 录 II 第1章 MATLAB仿真软件的应用 1 1.1 MATLAB的基本介绍 1 1.2 MATLAB的仿真 1 1.3 控制系统的动态仿真 2 1.4 小结 4 第2章 直线一级倒立摆系统及其数学模型 5 2.1 系统组成 5 2.1.1 倒立摆的组成 6 2.1.2 电控箱 6 2.1.4 倒立摆特性 7 2.2 模型的建立 7 2.2.1 微分方程的推导 8 3.2.2 传递函数 10 3.2.3 状态空间结构方程 10 2.2.4 实际系统模型 12 2.2.5 采用MATLAB语句形式进行仿真 13 第3章 直线一级倒立摆的PID控制器设计与调节 16 3.1 PID控制器的设计 16 3.2 PID控制器设计MATLAB仿真 18 结 论 21 参考文献 22 第1章 MATLAB仿真软件的应用 1.1 MATLAB的基本介绍 MTALAB系统由五个主要部分组成，下面分别加以介绍。 (1)MATALB语言体系：MATLAB是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。 (2)MATLAB工作环境：这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。 (3)图形句相系统：这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。 (4)MATLAB数学函数库：这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 (5)MATLAB应用程序接口(API)：这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。 可以看出MATLAB是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。除此之外，MA丁LAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。 MATLAB有几种在不同电脑作业系统的版本，例如在视窗3.1上的MATLAB for Windows, SIMULINK，在麦金塔上的MATLAB for Macintch，另外还有在Unix上的各种工作站版本。基本上这些版本主要是提供方便的操作环境，采用图形介面。工具SIMULINK MATLAB的SIMULINK子库是一个建模、分析各种物理和数学系统的软件。由于在WINDOWS界面下工作,所以对控制系统的方块图编辑、绘制很方便。MATLAB命令窗口启动SIMULINK程序后,出现的界面如下。分别为信号源、输出、离散系统库、线性系统库、非线性系统库、系统连接及扩展系统。下面分别介绍:程序提供了八种信号源,分别为阶跃信号、正弦波信号、白噪声、时钟、常值信号、文件、信号发生器等可直接使用。而信号发生器(singal gein)可产生正弦波、方波、锯齿波、随机信号等。程序提供了三种输出方式,可将仿真结果通过三种方式之一如仿真窗口、文件等形式输出。程序提供了五种标准模式,延迟、零-极点、滤波器、传递函数、状态空间等。并且每种标准模式都可