一级倒立摆的建模与控制分析

1、精品文档研究生现代控制理论及其应用课程小论文一级倒立摆的建模与控制分析学院： 机械工程学院班级： 机研 131姓名： 尹润丰学号： 2013212020162014年6月2日.精品文档目录1. 问题描述及状态空间表达式建立 .- 1 -1.1问题描述 .- 1 -1.2状态空间表达式的建立 .- 1 -1.2.1直线一级倒立摆的数学模型.- 1 -1.2.2直线一级倒立摆系统的状态方程.- 5 -2.应用 MATLAB 分析系统性能 .- 6 -2.1直线一级倒立摆闭环系统稳定性分析.- 6 -2.2系统可控性分析 .- 7 -2.3系统可观测性分析 .- 8 -3. 应用 matlab 进行

2、综合设计 .- 8 -3.1状态反馈原理 .- 8 -3.2全维状态反馈观测器和 simulink 仿真 .- 9 -4.应用 Matlab 进行系统最优控制设计 .-11-5.总结.-13-.精品文档1.问题描述及状态空间表达式建立1.1 问题描述倒立摆是机器人技术、 控制理论、计算机控制等多个领域、 多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、 高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系

3、统新理论、新思想的发展。下对于倒立摆系统，经过小心的假设忽略掉一些次要的因素后，它就是一个典型的运动的刚体系统，可以在惯性坐标系内应用经典力学理论建立系统的动力学方程。下面采用其中的牛顿欧拉方法建立直线一级倒立摆系统的数学模型。1.2 状态空间表达式的建立1.2.1直线一级倒立摆的数学模型.精品文档图1.1 直线一级倒立摆系统1.1 所示。本文中倒立摆系统描述中涉及的符号、物理意义及相关数值如表图 1.2 是系统中小车的受力分析图。 其中，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。.精品文档图1.2 系统中小车的受力分析图图 1.3 是系统中摆杆的受力分析图。 Fs是摆杆受到的水平方

4、向的干扰力 , F h是摆杆受到的垂直方向的干扰力，合力是垂直方向夹角为的干扰力 Fg。图 1.3 摆杆受力分析图分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：MxFfxN11设摆杆受到与垂直方向夹角为的干扰力 Fg，可分解为水平方向、 垂直方向的干扰力，所产生的力矩可以等效为在摆杆顶端的水平干扰力FS、垂直干扰力 Fh产生的力矩。Fh12FS Fg sinFg cos对摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：2NFSm d 2x l sin1 3dt.精品文档即：N mx ml cos ml 2 sin F f sin1 4对图 1.3 摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：P

5、mgFhd 2l cos1 5m2 ldt即PmgFg cosml sinml 2 cos16力矩平衡方程如下：Fgl sin cosFg l cossinPl sinNl cos I017代入 P和N，得到方程：2Fgl sin cos 2Fgl cossinIml2 cos2mglsinml22 sin2mlxcos0 18设，（是摆杆杆与垂直向上方向之间的夹角，单位是弧度） ，代入上式。假设 1，则可进行近似处理：2cos1, sin,d0,cos21, sin 2dt由于： I1 ml 23方程化为：2Fgsincos4 mlmgmx193令： F fFg sincos，则 19 可化

6、为：2F f4 mlmgmx11031 10 即是化简后的直线一级倒立摆系统微分方程。带入实际数据后， 微分方程为：29.43x2F f111m当忽略了 F 时，系统的微分方程如式（ 1-12 ）所示f29.43x112忽略干扰力后，直线一级倒立摆系统是单输入二输出的四阶系统，考虑干扰力后，.精品文档直线一级倒立摆系统是二输入二输出的四阶系统。 其内部的 4个状态量分别是小车的位移 x、小车的速度 x 、摆杆的角度、摆杆的角速度 。系统输出的观测量为小车的位移 x、摆杆的角度。其控制量为小车的加速度将微分方程（ 1-12 ）化为关于加速度输入量和角度输出量的传递函数：s31 13R ss229

7、.41.2.2直线一级倒立摆系统的状态方程实验所使用的直线一级倒立摆系系统是加速度x 作为系统的控制输入，所以根据式（ 1-12 ）建立系统的状态方程为：xxxx3g3 x4l4l整理后得到系统状态方程：x0100 x0 x0000 x1x00010003g03g4l4lxyx1000 x0 x00100将实际参数代入得到一级倒立摆系统的状态空间方程为：.精品文档x0100 x0 x0000 x10001x00029.403xyx1000 x00010 x0010000000110000A001BC010D00000029.4032.应用 MATLAB分析系统性能2.1 直线一级倒立摆闭环系统

8、稳定性分析构建如图 1.4 所示闭环系统，则系统的闭环极点为（-5.1381 ）、（5.1381 ） :图 1.4 闭环系统结构图由于有实部为正的极点，所以闭环系统不稳定，必须设计控制器使系统稳定。可以通过 MATLAB Simulink中对其进行仿真，判断其稳定性。构建图 1.4 所示系统的仿真程序 e1，加入 1m/s2的阶跃信号.精品文档由上图也能清楚的知道一级倒立摆系统是不稳定的。2.2系统可控性分析系统的可控性可根据秩判据进行可控性判断。线性定常连续系统完全可控的充分必要 条件 是： rank (BABAn 1B)n ， 其中n 为系 统矩阵A 的阶 次，M( B ABAn 1 B)

9、 为系统的可控性矩阵。matlab 程序及运行结果如下：A=0 1 0 0;0 0 0 0;0 0 0 1;0 0 29.4 0;B=0;1;0;3;T=ctrb(A,B);rank(T)ans =4由于 rank （Ic ） =4，可见该系统是完全可控的。.精品文档2.3系统可观测性分析系统的可控性可根据秩判据进行可控性判断。线性定常连续系统完全可控的充分必要条件是：CCArankNrankn 或 rank (C TAT C T ( AT )2 C T( AT ) n 1C T )nCAn 1其中 n 为系数矩阵 A 的阶次。matlab 程序及运行结果如下：A=0 1 0 0;0 0 0

10、0;0 0 0 1;0 0 29.4 0;C=1 0 0 0;0 0 1 0;T0=obsv(A,C);rank(T0)ans =4由于 rank （T0） =4，故该系统是可观测的。3.应用 matlab 进行综合设计3.1 状态反馈原理设维线性定常系统：xAxBu , yCx其中 x,u,y 分别是 n维、 p维、 q维向量； A、 B、 C分别是 n*n 维， n*p 维， n*q 维实数矩阵。状态反馈系统的控制量 u取为状态 x的线性函数：.精品文档uvKx其中， v为p参考输入向量， K为p*n 维实反馈增益矩阵。加入状态反馈后系统的结构图如图3.1 所示：图3.1 系统的全状态反馈

11、结构图则系统状态反馈的动态方程为：A BK x Bv, y Cx3.2 全维状态反馈观测器和simulink仿真状态反馈的的实现是利用状态反馈使系统的闭环极点位于所希望的极点位置。而状态反馈任意配置闭环极点的充分必要条件是被控系统可控。直线一级倒立摆系统是可控的。设系统期望极点为 1 2 34 =234 3i4 3i ，则系统期望特征多项式为：a* ss1 s2 s3 s4列写状态反馈系统的特征多项式：det SIA BK令两个特征多项式各项系数对应相等，则可解出 K 阵。由 matlab 求出状态反馈矩阵K，编程如下：A=0 1 0 0;0 0 0 0;0 0 0 1;0 0 29.4 0;

12、B=0;1;0;3;K=acker(A,B,-2 -3 -4+3i -4-3i) K =.精品文档-5.1020-5.884435.16736.2948系统加入 0.1m/s 2的阶跃输入， 在构成的状态反馈调节器控制下， MATLAB中进行系统的阶跃响应仿真，编程如下：A=0100000000010029.40;B1=0103;C=1000010000100001;D1=0 0 0 0;dt=0.005;ieof=801;for i=1:ieof;U(:,i)=0.1;T(i)=i*dt;end;%离散化op=-2%期望极点-3-4+3i-4-3i;K=place(A,B1,op)Ak0=(

13、A-B1*K);Bk0=B1;Ck0=C;Dk0=D1;lqrop=eig(Ak0);x=0 0 0 0;dt=0.005;% 离散时dA,dB=c2d(Ak0,Bk0,dt);%经离散化得到离散状态方程Ak1=(A-B1*K);Bk1=B1;Ck1=C;Dk1=D1;sys=ss(Ak1,Bk1,Ck1,Dk1);.精品文档Y,X=lsim(sys,U,T);plot(T,-Y),grid;legend(Cart,VCart,single,Vs);图3.2极点配置为 -2 -3 -4+3i -4-3i时的全状态反馈仿真图横轴时间单位秒，从图中可以看出，系统稳定。4.应用 Matlab 进行系

14、统最优控制设计最优控制问题就是寻找一个控制系统的最优控制方案或最优控制规律，使系统能最优地达到预期的目标。对于线性连续系统，提出二次型目标函数：J1xT (t f ) Sx(t f )1t fxT t Q t x t uT t R t u t dt22t 0其中， R(t) 正定， S 及 Q（t) 半正定，且设它们为对称矩阵， t0 ,t f 固定。当 t f 趋近无穷时，在 y(t) x(t ) 情况下，该问题即为无限时间输出调节器问题。 此时稳态误差项趋于零，在此题目中假设二次型最优控制性能指标为：J xT QxuT Rudt0.精品文档50000003000其中： Q050R=1000

15、0010Matlab 编程如下：A=0 1 0 0;0 0 0 0;0 0 0 1;0 0 29.4 0;B=0;1;0;3;C=1000;0100;0010;0001;D=0 0 0 0;Q=500 0 0 0;0 30 0 0;0 0 50 0;0 0 0 10;R=1;K,P,e=lqr(A,B,Q,R) K =-22.3607 -17.4697 70.1041 13.2462在 simulink下进行仿真模型的建立，如图4.1 ：图 4.1 LQR 仿真模型将 K 输入后，进行仿真，结果如图4.2 ：.精品文档图 4.2 LQR 仿真结果由图可见，在二次型最优控制下系统稳定性得到明显改善。5.总结通过对一级倒立摆的分析可知， 在开环情况下，倒立摆的平衡系统是不稳定的的；通过秩判据可知，其系统是可控