倒立摆控制系统设计

倒立摆控制系统设计毕业设计倒立摆控制系统设计学生姓名：专业班级：自动化2012级1班指导教师：教授工程师学院：机电工程学院2016年6月倒立摆控制系统设计摘要倒立摆是一种复杂、时变、非线性、强耦合、自然不稳定的高阶系统，许多抽象的控制理论概念都可以通过倒立摆实验直观的表现出来。本文对单级倒立摆系统的平衡控制问题进行了研究，分别采用根轨迹法、PID法、频域特性法这三种方法实现了单级倒立摆系统的平衡控制。实际的写作及操作如对直线型单级倒立摆进行数学模型建立，通过仿真的根轨迹图表明原系统不稳定，需要设计相应的控制器进行校正。三种校正方法都利用MATLAB通过人机界面调用，以完成离线的仿真，进而利用图形化的Simulink作为控制前台基于RTW完成实时控制，在线调整参数就针对直线单级倒立摆系统摆杆的平衡控制应用P1D法，通过根轨迹法依次确定比例、积分、微分的个参数后仿真；运用根轨迹法设计控制器和频域法设计针对摆杆的平衡和小车位置的控制器，然后进入在线实时控制，根据实际控制效果调整控制器参数。将所设计的控制器分别在实际的物理设备上进行实时控制实验，都成功地实现了倒立摆的平衡控制。关键词倒立摆；PID系统；根轨迹；频域特性DesignofinvertedpendulumcontrolsystemAbstractInvertedpendulumisacomplex,time-varying,nonlinear,strongcoupling,naturalinstabilityofhighordersystems,manyoftheabstractcontroltheorycanbeshownthroughtheinvertedpendulumexperiment.Inthispaper,thebalancecontrolofsingleinvertedpendulumsystemisstudied,andthebalancecontrolofsinglestageinvertedpendulumsystemisachievedbyusingthethreemethods,rootlocusmethod,PIDmethodandfrequencydomainmethod.Theactualwritingandoperation,suchasthelinearsingleinvertedpendulummathematicalmodelisestablished,throughthesimulationoftherootlocusdiagramoftheoriginalsystemisnotstable,needtodesignthecorrespondingcontrollerforcorrection.ThreecorrectionmethodsaretheuseofMATLABthroughtheman-machineinterface,tocompletetheoff-linesimulation,thentheSimulinkgraphicalasfrontcontrolbasedonRTWreal-timecontrol,onlineparameteradjustmentisforlinearsingleinvertedpendulumsystempendulumpolebalancingcontrolP1Dmethodisapplied,bytherootlocusmethodinordertodeterminetheproportion,integralanddifferentialparameterssimulation;theuseofrootlocusmethodcontrollerdesignandfrequencydomainmethodofdesignforthependulumrodbalanceandthecartpositioncontroller,andthenentertheonlinereal-timecontrol,accordingtotheactualcontroleffecttotunetheparametersofthecontroller.Thedesignedcontrollerisimplementedinrealtimecontrolexperimentsontheactualphysicalequipment,andthebalancecontroloftheinvertedpendulumissuccessfullyachieved.KeywordsInvertedPendulum；PIDControl；RootLocus；FrequencyCharacteristic东北林业大学本科生毕业设计目录摘要Abstract目录TOC\o"1-2"\h\u232931绪论 参考文献[1]王继军,孙灵芳.倒立摆系统概述[J].自动化技术与应用,2011,30(2):1-16.[2]张冬军,丛爽,秦志强.倒立摆控制系统研究综述[J].控制工程,2003,10(z2):2-8.[3]罗晶,陈平.一阶倒立摆的PID控制[J].实验室研究与探索,2005,24(11):7-9.[4]刘霞.一阶倒立摆控制器设计[J].科技情报开发与经济,2009,19(18):3-7.[5]杨世勇,徐莉,王培进.单级倒立摆的PID控制研究[J].控制工程,2007,14(z):5-9.[6]刘卫国.MATLAB程序设计与应用[M].北京高等教育出版社,2002.[7]张冬妍,周修理,赵月容等.自动控制原理[M].机械工业出版社,2011.[8]韩东方,孙小强,徐志明,王银河.一级直线型倒立摆的控制及实现[J].汕头大学学报,2007,22(2):6-7.[9]王惠萍,孔庆忠.直线一级倒立摆的数学建模和根轨迹控制[J].内蒙古工业大学学报,2015,24(1):4-6.[10]王杰,孔庆忠,徐禄均.直线一级倒立摆的新型控制方法研究[J].机械工程与自动化,2015,11(5):12-17.[11]陈艳菲.基于MATLAB的根轨迹仿真实验设计[J].中国科教创新导刊,2014,18(7):11-16.[12]郑超.基于MATLAB的根轨迹法的研究[J].山西师范大学学报,2008,7(3):6-11.[13]李素玲,胡健,王敏.自动控制原理[M].西安电子科技大学出版社,2007.[14]祝洁.直线一级倒立摆的起摆及稳摆的智能控制[D].山东大学控制理论与控制工程系硕士论文,2009.[15]刘时鹏.MATLAB环境下直线单级倒立摆系统实时控制实验的研究与设计[D].重庆大学模式识别与智能系统系硕士论文,2004.[16]杨平,徐春梅,曾婧婧,蒋式勤,彭道刚.PID控制在倒立摆实时控制系统中的应用[J].控制系统,2006,16(5):22-27.[17]湛力,孙鹏,陈雯柏.倒立摆系统的自摆起和稳定控制[J].计算机仿真,2006,23(8):12-17.[18]汤乐.倒立摆系统建模与控制方法研究[D].河南大学检测技术与自动化装置系硕士论文,2013.[19]王俊.基于倒立摆的PID控制算法的研究[J].现代电子技术,2012,35(23):3-9.[20]黎君,阎世梁.一级倒立摆模糊PID控制器设计[J].研究与开发,2012,31(4):23-27.[21]杨世勇,张景辉,谭翚.基于根轨迹校正法的倒立摆控制系统设计[J].电气传动自动化,2012,34(4):7-11.[22]易杰.直线一级倒立摆系统的频率响应设计分析[J].自动化与仪器仪表,2008,17(2):4-17.[23]邢广成,刘娜,王小军.基于Mat1ab的一阶倒立摆系统建模及仿真[D].河南城建学院电气与电子工程系硕士论文,2012.[24]严雪莉,江汉红.单级倒立摆控制方法的仿真对比研究[D].海军工程大学电气工程系硕士论文,2005.[25]M.Bettayeb,C.Boussalem,R.Mansourietal.Stabilizationofaninvertedpendulum-cartsystembyfractionalPI-statefeedback[J].ISATransactions,2014,53(2):508-516.[26]V.S.Sorokin.Analysisofmotionofinvertedpendulumwithvibratingsuspensionaxisatlow-frequencyexcitationasanillustrationofanewapproachforsolvingequationswithoutexplicitsmallparameter[J].Internationaljournalofnon-linearmechanics,2014,63(Jul.):1-9.[27]MohammadEl-Bardini,AhmadM.El-Nagar.Intervaltype-2fuzzyPIDcontrollerforuncertainnonlinearinvertedpendulumsystem[J].ISATransactions,2014,53(3):732-743.[28]J.H.Lee,H.J.Shin,S.J.Leeetal.Balancingcontrolofasingle-wheelinvertedpendulumsystemusingairblowers:EvolutionofMechatronicscapstonedesign[J].Mechatronics:TheScienceofIntelligentMachines,2013,23(8):926-932.[29]Yi-WeiTu,Ming-TzuHo.DesignandimplementationofrobustvisualservoingcontrolofaninvertedpendulumwithanFPGA-basedimageco-processor[J].Mechatronics:TheScienceofIntelligentMachines,2011,21(7):1170-1182.[30]HyungjikLee,SeulJung.Balancingandnavigationcontrolofamobileinvertedpendulumrobotusingsensorfusionoflowcostsensors[J].Mechatronics:TheScienceofIntelligentMachines,2012,22(1):95-105.附录附录图3-1系统开环传递函数根轨迹图num=[3]den=[10-29.4]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h);pole(h)图3-3加了控制器后的根轨迹图num=[3]den=[134.58-216.8]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)set(gca,'xtick',[-45-40-30-20-100510],...'ytick',[-50-40-30-20-1001020304050],...'ylim',[-5050])图4-4加入PID控制器的开环传递函数num=[3-1224]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图4-5开环传递函数num=[1-1880]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图4-6开环传递函数num=[1-918]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图4-7开环传递函数num=[10-4]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图4-8开环传递函数num=[148]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图4-9开环传递函数num=[156]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图4-10开环传递函数num=[11880]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图4-11开环传递函数num=[11680]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图4-12开环传递函数num=[120120]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图4-13开环传递函数num=[120109]den=[10-29.40]h=tf(num,den)[y,t,x]=step(h);rlocus(h)图5-1开环频率特性num=[3];den=[10-29.4];h=tf(num,den);fg1=figure(1);BODE(h,{0.4,60});gridon;BODE(h);图5-2校正后的开环频率特性num=3*1*[0.421];den=[0.0131-29.4*0.013-29.4];h=tf(num,den);BODE(h,{0.4,60