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水平
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水平直线轨道倒立摆控制算法设计,水平,直线,轨道,倒立,控制,算法,设计
- 内容简介：
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毕业设计(论文)中期报告题目：水平直线轨道倒立摆控制算法设计1.设计（论文）进展状况 工作进行到第7周，在这个阶段的主要工作有外文翻译，设计并计算直线一级倒立摆系统的机械本体部分。用Matlab和Simulink对一级倒立摆控制系统进行仿真，验证设计的可行性。设计中的任务有：（1）了解目前市场上成型的倒立摆系统，掌握其基本构造和控制工作原理。（2）通过类比，设计出倾斜轨道一级倒立摆系统基本构造和控制系统基本功能。（3）运用AutoCAD、SolidWorks 或其他绘图软件绘制出系统装配图。（4）借鉴目前倒立摆控制系统，并使用Matlab、C或其他语言编制相关控制程序，实现相关控制功能。 目前完成的任务有：已完成外文文献的翻译，并初步对倒立摆进行了设计与计算，并用Matlab中的Simulink给出了倒立摆系统控制量的响应曲线。 一级倒立摆模型分析 图3.1 一级倒立摆简化模型 在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如图3.1 所示。实际系统的模型参数如下： 表3.1 系统模型参数参数名称实际值单位M小车质量1.1Kg摆杆的质量0.11KgI摆杆惯量0.0035kg*m2摆杆转动轴心到杆质心的长度0.25m小车摩擦系数0.1N/m/sec摆杆与垂直向上方向的夹角F作用在系统上的外力/N通过计算结果经得到系统的状态方程，对其进行阶跃响应分析得到以下结果可以看出，在单位阶跃响应作用下，小车位置和摆杆角度都是发散的。一级直线倒立摆控制器设计与仿真1PID控制器设计及算法仿真P=1，I=1，D=0杆和小车的位移，速度响应曲线及力的输出响应曲线如图3.2.1 示： 当P=50，I=1，D=0 杆和小车的位移、速度响应曲线及力的输出响应曲线如图3.2.2所示：当P=1，I=3，D=0杆和小车的位移、速度响应曲线及力的输出响应曲线如图3.2.3所示：当 P=1，I=3，D=5000 杆和小车的位移、速度响应曲线及力的输出响应曲线如图 3.2.4所示：从图中可以看出增大比例系数P时，摆杆及小车的动态性能有所提高，调节时间缩短，增加了摆杆幅值和小车的运动往复次数，控制力的输出量增加，所以说消耗了更多的能量。 增加积分系数I时可以看见到，当I从1-3时，系统的性能明显提高，响应时间缩短，动态性能得到了很大的提高。对微分系数的变化却不是很大，曲线的响应过程也不是很明显，但是在这里也可以看出，当 P=1，I=3，D=5000 时，系统的动态特性是最合适的。 LQR控制器设计及算法仿真先令x=1，y=1，运行后得到：K =-1.0000 -1.5259 29.1867 5.5631 仿真曲线如图3.2.6所示：图3.2.6 系统响应曲线图当x=10，y=5000时，如图3.2.7： 当x=10，y=500时，如图3.2.8： 图3.2.7 系统响应曲线 图3.2.8 系统响应曲线从上图中可以看出,当y减小时，小车的响应曲线稳定得到了提高，响应时间有明显的改善，现在保持y不变，变换x值：当x=1000，y=500时，如图3.2.9所示：从仿真结果可知，X在1000以上或者较大时，系统响应结果很好，小车和摆杆可以在很短时间内达到平衡，表明X值的变化对系统动态性能有很大影响。 3.状态空间极点配置控制设计及仿真对于控制系统 式中：X 为状态向量（n维） u 控制向量（纯量） A nn维常数矩阵 B n1维常数矩阵选择控制信号为：图3.2.10 状态反馈闭环控制控制原理图求解上式，得到： 方程的解为： 通过在Matlab中进行编程，得到以下仿真图1：改变极点，取P=-2+5i -2-5i -5+4i -5-4i，得到状态反馈增益矩阵K：K=-51.485 -18.410 75.521 12.803，得到仿真图2： 1 2从仿真图中可以看出系统基本上可以在短时间内实现稳定，说明这种算法具有可行性。2.在问题及解决措施随着设计的不断进行，出现的问题也慢慢浮现，主要有：在设计与计算的过程中，对有些方案的设计还存在一些问题，在使用这几种控制方法的时候，对有些知识的了解还不是很熟悉，对有些程序的编程也存在一定的问题。 今后，我应该多阅读一些关于这几种控制方法方面的有关资料，使这次设计更具有适用性，也应该多动手进行仿真方面的操作。同时，还应该再加强与指导老师的交流和沟通，加深对本次设计的认识和理解。 总之，我相信自己会继续保持积极的态度，在指导老师的悉心点拨下，能够快速有效展开接下来的设计流程，顺利完成毕业设计工作。3.后期工作安排 距离毕业答辩还有不到两个月的时间了，我将剩余的工作做以下安排： 第12-14周（2014.3.16-3.31）：绘制装配图。 第
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