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直线倒立摆的稳定控制算法设计【4张图纸】【优秀】

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直线倒立摆的稳定控制算法设计【4张图纸】【优秀】

直线倒立摆的稳定控制算法设计66页18000字数说明书开题报告中期报告4张CAD图纸中期.doc套筒.dwg小带轮.dwg直线倒立摆的稳定控制算法设计开题报告.doc直线倒立摆的稳定控制算法设计论文.doc装配图.dwg轴承座.dwg摘要   本文首先利用牛顿力学分析的方法和拉格朗日法建立了直线一级、二级、三级倒立摆实物系统的线性状态方程,并在此基础上分析了该系统是不稳定的,同时又是能控的和能观的。基于此本文设计了直线倒立摆系统的机械本体部分,研究了直线一级、二级、三级倒立摆系统的PID、LQR和状态空间极点配置控制算法,同时利用MATLAB/Simulink对各个算法进行分析,由仿真结果表明对于像倒立摆这样的非线性模型,通过对其数学模型的建立,设计相应的控制器,并对其实现控制是可行的。关键词直线倒立摆PIDLQR状态空间极点配置仿真目录1绪论1  1.1前言1  1.2倒立摆系统研究背景及意义1  1.3国内外倒立摆控制研究发展及现状2  1.4本文主要工作42倒立摆机械系统设计及实现5  2.1倒立摆简介5  2.2倒立摆工作特性和工作原理5   2.2.1工作特性5   2.2.2系统工作原理5  2.3系统机械结构设计6   2.3.1底座设计6   2.3.2小车部分设计6   2.3.3传动部分设计7   2.3.4步进电机选择73一级直线倒立摆系统的建模分析与仿真10  3.1一级倒立摆模型分析10   3.1.1系统可观可控性分析13   3.1.2系统阶跃响应分析14  3.2一级直线倒立摆控制器设计与仿真15   3.2.1PID控制器设计及算法仿真15   3.2.2LQR控制器设计及算法仿真18   3.2.3状态空间极点配置控制设计及仿真20   3.2.4小结224二级直线倒立摆系统的建模分析与仿真24  4.1二级倒立摆模型的分析24   4.1.1二级倒立摆稳定性分析29   4.1.2能控性能观性分析29  4.2二级直线倒立摆控制器设计与仿真30   4.2.1LQR控制器设计及算法仿真30   4.2.2状态空间极点配置控制设计及仿真31   4.2.3小结325三级直线倒立摆系统建模分析与仿真34  5.1二级倒立摆模型分析34   5.1.1三级倒立摆稳定性分析39   5.1.2能控性能观性分析39  5.2三级直线倒立摆控制器设计与仿真40   5.2.1LQR控制器设计及算法仿真40   5.2.2状态空间极点配置控制设计及仿真41   5.2.3小结436总结与展望44参考文献45致谢46毕业设计(论文)知识产权声明47毕业设计(论文)独创性声明48附录49倒立摆系统研究背景及意义   对倒立摆系统的研究不仅仅在其结构简单、原理清晰、易于实现等特点,而且作为典型的多变量系统,可采用实验来研究控制理论中许多方面的问题。在稳定性控制问题上,倒立摆既具有普遍性又具有典型性。倒立摆的典型性在于,倒立摆系统作为一个控制装置,它结构简单、价格低廉,便于模拟和数字多种不同的方式控制,通过引入适当的控制方式使之成为一个稳定的系统,而且当一种新的控制理论和方法提出以后,在不能用理论加以严格证明时,可以考虑通过倒立摆装置来验证其正确性和实用性。另一方面对系统的研究也比较有实用价值,从日常生活中所见的任何重心在上、支点在下的控制问题,到空间飞行器和各类伺服云台的稳定,都和倒立摆的控制有很大的相似性。倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义,还有重要的工程背景。它的工程背景如下   1机器人的站立与行走类似双倒立摆系统,尽管第一台机器人在美国问世至今已有三十年的历史,机器人的关键技术机器人的行走控制至今仍未能很好解决。   2在火箭等飞行器的飞行过程中,为了保持其正确的姿态,要不断进行实时控制。3通信卫星中在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时,要保持其稳定的姿态,使卫星天线一直指向地球,使它的太阳能电池板直指向太阳。   4为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭(多级火箭),其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。5侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图象质量产生很大的影响,为了提高摄像的质量,必须能自动地保持伺服云台的稳定,消除震动。1.4本文主要工作   本论文的主要工作是设计了直线倒立摆系统的机械本体部分,并分别进行PID,线性二次最优控制,状态空间极点配置控制算法的设计,用MATLAB对一级、二级、三级倒立摆控制系统进行了仿真,验证了设计的可行性。具体内容如下   1详细论述了一级、二级、三级直线倒立摆数学建模方法,推导出它们的微分方程,以及线性化后的状态方程。   2分析了倒立摆系统的控制方法。分别用现代控制理论及经典控制理论对直线倒立摆的位置控制和角度控制进行分析。利用MATLAB仿真系统,讨论出现的问题及解决方法。   3设计绘制了直线倒立摆的装配图。   4对论文工作进行总结和展望。2倒立摆机械系统设计及实现2.1倒立摆简介   倒立摆系统包含倒立摆本体、电控箱及由运动控制卡和普通PC机组成的控制平台等三大部分。   直线倒立摆本体由底座、电机、同步带、带轮、滑竿、小车、摆杆、角编码器等组成。小车由电机通过同步带驱动在滑杆上来回运动,保持摆杆平衡。电机编码器和角编码器向运动控制卡反馈小车和摆杆位置线位移和角位移。   电气控制箱由电机驱动器、I/O接口板、开关电源、开关和指示灯等电气元件组成。   控制平台由PC机、运动控制卡、运动控制卡用户接口软件等组成。2.2倒立摆工作特性和工作原理2.2.1工作特性倒立摆从形式和结构上来看是多种多样的,但是所有的倒立摆都具有以下的特性   1非线性倒立摆是一个典型的非线性复杂系统,实际中可以通过线性化得到系统的近模型,线性化处理后再控制。也可以利用非线性控制理论对其进行控制。倒立摆的非线性控制正成为一个研究的热点。   2不确定性主要的模型误差以及机械传动间隙,各种阻力等,实际控制中一般通过减少各种误差来降低不确定性,如通过施加预紧力减少皮带或齿轮的传动误差,利用滚珠轴承减少摩擦阻力等不确定因素。   3耦合性倒立摆的各级摆杆之间,以及和运动模块之间都有很强的耦合关系,在倒立摆的控制中一般都在平衡点附近进行解耦计算,忽略一些次要的耦合量。   4开环不稳定性2.2.2系统工作原理   倒立摆系统是由上位机作为控制界面的输出,通过上位机对倒立摆系统的仿真过程进行参数的选改,运动控制卡进行电机反馈和角度编码器的反馈计算,并将参数的反馈发送到电机驱动器,进而控制电机输出。其工作原理如下图2.1所示

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