二级倒立摆_毕业计_论文模板.doc

前 言 倒立摆系统是理想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位的满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度、和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观的表现出来。 倒立摆系统具有模块性好和品种多样化的优点，其基本模块既可是一维直线运动平台或旋转运动平台，也可以是两维运动平台。通过增加角度传感器和一节倒立摆杆，可构成直线单节倒立摆、旋转单节倒立摆或两维单节倒立摆；通过增加两节倒立摆杆和相应的传感器，则可构成两节直线倒立摆和两节旋转倒立摆。 倒立摆的控制技巧和杂技运动员倒立平衡表演技巧有异曲同工之处，极富趣味性。学习自动控制课程的学生通过使用它来验证所学的控制理论和算法，加深对所学课程的理解。由于倒立摆系统机械结构简单，易于设计和制造，成本低廉，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为必备的控制教学设备。 同时由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法，相关的成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。因此，倒立摆系统也是进行控制理论研究的理想平台。 本设计对经典的二级倒立摆系统进行数学建模、控制设计和系统仿真。二级倒立摆系统数学建模中，利用拉格朗日方程来建立倒立摆运动学方程，在进行线性化之后得到系统理想状态的数学方程。控制设计是采用的线性最优控制，设计时使在无限时间上的系统的性能泛函取最小值，而得到最优反馈系数向量K，实现最优控制。在系统仿真中，使用Matlab控制系统设计工具箱中的专用函数计算系统特征值和最优反馈系数K，并进行系统仿真，得到系统的响应曲线。 第一章 倒立摆控制系统组成 §1.1 倒立摆本体 一. 倒立摆本体主要由以下几个部分组成： 基座 直流伺服电机 同步带 带轮 滑竿 摆杆 角编码器 限位开关 二. 电控箱内安装有如下主要部件： 直流伺服驱动器 I/O接口板 开关电源 开关、指示灯等电气元件 三. 控制平台主要由以下部分组成： 与IBM PC/AT机兼容的PC机（公司不提供），带PCI/ISA 总线插槽 GT400-SV-PCI、GM400运动控制卡 GT400-SV-PCI、GM400运动控制卡用户接口软件 演示实验软件 §1.2 GT-400-SV四轴运动控制器简介 一.引言 GT-400-SV四轴运动控制器的核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成。它适用于广泛的应用领域，包括机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配线、电子加工设备等。 GT-400-SV运动控制器以IBM-PC为主机，提供标准的ISA总线和PCI总线。同时提供RS232串行通讯和PC104通讯接口，方便用户配置系统硬件。该运动控制器提供C语言函数库实现复杂的控制功能，用户能够将这些控制函数灵活地与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等部分集成在一起，建造符合特定应用要求的控制系统,以适应各种应用对象的要求。使用该运动控制器，要求使用者必须具有C语言编程（在Windows环境下使用动态连接库）的经验。 GT-400-SV将四轴电机控制集成在同一运动控制器上，具有功能强、性能高、价格低、使用方便的特点，适用于模拟量控制及脉冲控制的交流或直流伺服电机、步进电机等多种控制场合。采用该运动控制器进行控制时，用户需要一台IBM-PC或其兼容机、一套运动控制器及配套的连接电缆和接口端子板、电机及驱动器和外部接口电源等硬件。这些部件之间的典型连接如图1.3所示。PC机通过主机通讯接口与GT-400-SV运动控制器交换信息。包括向运动控制器发出运动控制指令，并通过该接口获取运动控制器的当前状态和相关控制参数。运动控制器完成实时轨迹规划、位置闭环伺服控制、主机命令处理和控制器I/O管理。运动控制器通过编码器接口，获得运动位置反馈信息，通过四路模拟电压输出（或脉冲输出）接口控制伺服电机实现主机要求的运动。 运动控制器还提供八路限位开关（每轴二路）输入，四路原点开关（每轴一路）输入，四路伺服电机驱动器报警信号（每轴一路）输入，四路伺服电机驱动器使能信号（每轴一路）输出，四路伺服电机驱动器复位信号（每轴一路）输出以及十六路通用数字量输出接口、十六路通用数字量输入接口。实现复杂灵活的运动控制。 3.2 GT-400-SV技术指标 GT-400-SV四轴运动控制器提供的主要功能有： 控制功能 看门狗实时监测DSP的工作状态。 基于坐标系编程的连续轨迹控制，可实现空间直线、圆弧插补运动。 提供程序缓冲区，实现运动轨迹预处理，以获得高质量的运动控制，并降低主机通讯实时性的要求。 面向各控制轴实现点到点运动控制，具有可编程S-曲线、梯形曲线、速度控制和电子齿轮运动控制方式。 使用32位(