自动控制理论课程设计倒立摆系统的控制器设计.ppt

1 自动控制理论课程设计设计指导书题目 倒立摆系统的控制器设计 2 课程设计概述 控制系统设计 工程设计 课程设计 倒立摆系统的控制器设计 倒立摆系统概述 数学模型的建立 开环响应分析 根轨迹法设计 频域法设计 总结 pid控制器设计 倒立摆系统的实时控制 课程设计报告内容 3 课程设计概述 工程设计可认为是工程师创造性地运用他所拥有的知识和材料 创建一个特定产品或特定系统 设计过程就是为达到特定的目的 构思或创建系统的结构 组成和技术细节的过程 设计的根本目的就是要达到合适的技术指标 设计新的系统或产品时 设计复杂性 折衷处理 设计差异和设计风险是设计工作所固有的 在工程设计中 分析和综合是两种必不可少而且非常重要的思维模式 分析关注的焦点是所研究的物理系统的各种模型 并通过对模型的分析得到真知灼见 确定设计改进的方向 而综合则侧重于构建所设计的新的系统 4 控制系统设计是工程设计的一个特例 对控制工程师而言 首要的任务应是设计能达到预期控制性能的系统结构配置 包括传感器 受控对象 执行机构和控制器 譬如 根据实现控制任务的工艺要求选择被控对象 选择能有效调节对象工作性能的装置作为执行机构 选择合适的传感器测量被控参数 接下来就是设计或选择控制器 设计过程的最后步骤是调节系统参数以便获得所期望的系统性能 如果通过参数调节达到了期望的系统性能 设计工作就告结束 可着手形成设计文档 否则 就需要改进系统结构配置 甚至可能需要选择功能更强的执行机构和传感器 此后就是重复上述设计步骤 直到满足了设计指标的要求 或者确认设计指标的要求过于苛刻 必须放宽指标要求 5 课程设计是围绕一门专业基础课或专业课的内容所进行的实践性教学环节 是在教师的指导下对学生进行阶段性专业实践训练 培养学生工程意识 创新意识 经济意识和科技意识 对学生实际知识水平 综合分析能力 独立设计能力等进行检验的教学过程 自动控制原理课程设计的目的是让学生掌握对实际系统进行建模的方法 利用古典控制理论对控制系统进行控制器的设计 熟悉利用matlab simulink对控制系统进行仿真分析和设计 培养学生对控制系统进行分析和设计的能力 培养学生综合运用所学专业知识解决实际问题的能力 6 课程设计概述 控制系统设计 工程设计 课程设计 倒立摆系统的控制器设计 倒立摆系统概述 数学模型的建立 开环响应分析 根轨迹法设计 频域法设计 总结 pid控制器设计 倒立摆系统的实时控制 课程设计报告内容 7 杂技演员通过移动脚尖使伞稳稳立在空中 芭蕾舞演员一只脚尖着地 身体在空中划出优美的姿态 整点时钟摆就会左右摆动 火箭在空中的姿态调整就可以利用倒立摆控制方法实现 摆的世界 支点在下 重心在上 恒不稳定的系统或装置叫倒立摆 相反 支点在上而重心在下的装置则称为顺摆 现实生活中 摆无处不在 如吊车等都可被看作是一个摆 8 一 倒立摆系统概述 倒立摆的种类 悬挂式 直线 环形 平面倒立摆等 一级 二级 三级 四级乃至多级倒立摆 图直线一级倒立摆控制系统 9 系统的组成 倒立摆系统由倒立摆本体 电控箱以及控制平台 包括运动控制卡和pc机 三大部分组成 10 工程背景 1 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统 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一直指向太阳 4 为了提高侦察卫星中摄像机的摄像质量必须能自动地保持伺服云台的稳定消除震动 5 多级火箭飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究 倒立摆系统是机器人技术 控制理论 计算机控制等多个领域 多种技术的有机结合 11 系统建模可以分为两种 机理建模和实验建模 对于倒立摆系统 由于其本身是自不稳定的系统 实验建模存在一定的困难 机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上 通过物理 化学等学科的知识和数学手段建立起系统内部变量 输入变量以及输出变量之间的数学关系 二 数学模型的建立 12 图直线一级倒立摆模型 图小车及摆杆受力分析 n和p为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量 m小车质量1 096kgm摆杆质量0 109kgb小车摩擦系数0 1n m secl摆杆转动轴心到质心长度0 25mi摆杆惯量0 0034kg m2f加在小车上的力x小车位置 摆杆与垂直向上方向的夹角 摆杆与垂直向下方向的夹角 13 小车水平方向的合力 摆杆水平方向的合力 摆杆水平方向的运动方程 图小车及摆杆受力分析 14 摆杆垂直方向的合力 摆杆垂直方向的运动方程 图小车及摆杆受力分析 摆杆力矩平衡方程 15 垂直方向的运动方程 水平方向的运动方程 用u来代表被控对象的输入力f 线性化后 两个运动方程如下 其中 16 摆杆角度和小车位移的传递函数 摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为 17 摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数 其中 18 把实际参数代入 可得系统的实际模型 m 1 096kgm 0 109kgb 0 1n m secl 0 25mi 0 0034kg m2 19 三 开环响应分析 当输入为小车加速度时 摆杆角度的单位脉冲响应 摆杆角度的单位阶跃响应 小车位置的单位脉冲响应 小车位置的单位阶跃响应 20 程序示例 openloopresponseofthependulum sangleforimpulseforcem 0 5 m 0 2 b 0 1 i 0 006 g 9 8 l 0 3 q m m i m l 2 m l 2 num m l q00 den 1b i m l 2 q m m m g l q b m g l q0 openloopsystemresponseforimplusesignalt 0 0 05 5 impulse num den t axis 01060 21 开环传递函数 四 根轨迹法设计 调整时间 最大超调量 设计控制器 使得校正后系统的性能指标满足 22 1 控制器根轨迹法设计过程 2 时域分析 摆杆角度的单位阶跃响应 单位脉冲扰动响应 小车位置的单位阶跃响应 单位脉冲扰动响应 23 开环传递函数 五 频域法设计 设计控制器 使得校正后系统的性能指标满足 1 系统的静态位置误差常数为10 2 相位裕量为50 3 增益裕量等于或大于10分贝 24 1 控制器频域法设计过程 2 时域分析 摆杆角度的单位阶跃响应 单位脉冲扰动响应 小车位置的单位阶跃响应 单位脉冲扰动响应 25 开环传递函数 六 pid控制器设计 设计或调整pid控制器参数 使得校正后系统的性能指标满足 调整时间 最大超调量 26 1 pid控制器参数调整过程 2 时域分析 摆杆角度的单位阶跃响应 单位脉冲扰动响应 小车位置的单位阶跃响应 单位脉冲扰动响应 27 对所用控制系统分析与设计方法的比较分析 在控制系统仿真或 和实时控制实验与调试中发现的问题 解决问题的措施 课程设计的收获和体会 指出设计方案有待改进之处 对课程设计的建议等 七 总结 设计手段 手工计算 matlab命令 simulink仿真 m文件 sisodesigntool 本课程设计的主要内容 了解工程应用背景 控制对象特性研究 控制规律选择 控制器设计或 与控制器参数整定 控制系统仿真试验 实时控制实验 控制效果分析 实践报告撰写 28 1 实时控制软件的界面首先在windows操作系统环境下启动matlab应用程序 在commandwindows窗口中键入simulink命令或者点击工具栏上按钮 启动simulink应用程序 在 simulinklibrarybrowser 的 googoleducationproducts 子模块库中 invertedpendulum 模块为固高倒立摆系列示例程序 倒立摆系统的实时控制 直线倒立摆安装与使用手册r1 0 p39 45 固高matlab实时控制软件用户手册 p9 15 29 30 双击frequencyresponsecontroldemo 31 双击 controller1 设置控制器参数如下图所示 用户可以将零点 极点和增益修改为自己所设计的控制器的参数 32 2 实时控制的实验操作步骤1 关闭电控箱电源 将小车放在导轨中间 2 保证摆杆垂直向下稳定 3 打开电控箱开关 接通电源 4 打开软件 设置正确的控制器参数 开始实控 5 手将摆杆柔和地扶起 当电机启动后 手轻轻放开 6 实验时需手动保证小车不要 撞墙 7 实验结束 关闭程序 关闭电控箱 33 软件的参数设置及执行步骤如下 第一步 点击菜单 simulation simulationparameters 设置仿真参数 点击 solver 按照如下框图进行设置 34 点击 real timeworkshop 在出现的框图中点击 browse 按钮 按照下图选择实时内核为 real timewindowstarget 然后点击ok 按钮确认 35 第二步 双击 controller1 设置控制器参数 点击 ok 按钮 使所设控制器参数生效 第三步 编译 点击 tools real timeworkshop buildmodel 或者工具栏上的按钮 编译模型 第四步 连接 选择菜单 simulink external 或者在工具栏上中选择仿真模式为外部模式 接着点击菜单 simulink connecttotarget 或者工具栏上按钮 连接模型 36 第五步 运行 点击菜单 simulink start 或者工具栏上按钮 系统开始进行实时控制 用户可通过修改控制器模块结构和参数 用自己的控制算法进行实时控制 37