自动控制原理课程设计倒立摆系统控制器设计Word格式.doc
《自动控制原理课程设计倒立摆系统控制器设计Word格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制原理课程设计倒立摆系统控制器设计Word格式.doc（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
2直线倒立摆数学模型的建立
直线一级倒立摆由直线运动模块和一级摆体组件组成，是最常见的倒立摆之一，直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由度，小车可以沿导轨水平运动，在小车上装载不同的摆体组件。
系统建模可以分为两种：
机理建模和实验建模。
实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入－输出关系。
这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。
鉴于小车倒立摆系统是不稳定系统，实验建模存在一定的困难。
因此，本文通过机理建模方法建立小车倒立摆的实际数学模型，可根据微分方程求解传递函数。
2.1微分方程的推导（牛顿力学方法）
微分方程的推导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1所示。
做以下假设：
M小车质量 m摆杆质量
b小车摩擦系数 I摆杆惯量
F加在小车上的力 x小车位置
F摆杆与垂直向上方向的夹角
q摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下）
图2-1直线一级倒立摆模型
系统中小车和摆杆的受力分析图是图2。
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。
注意：
在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已经完全确定，因而矢量方向定义如图2所示，图示方向为矢量正方向。
图2-2小车及摆杆受力分析
分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：
（2-1）
由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：
（2-2）
即：
（2-3）
把这个等式代入式
（1）中，就得到小车运动方程（第一个运动方程）：
（2-4）
为了推出摆杆的运动方程（第二个运动方程），对摆杆垂直方向上的合力进行分析，
可以得到下面方程：
（2-5）
（2-6）
力矩平衡方程如下：
（2-7）
方程中力矩的方向，由于
（6）和（3）代入（7），约去P和N，得到摆杆运动方程（第二个运动方程）：
（2-8）
设（是摆杆与垂直向上方向之间的夹角），假设与1（单位是弧度）相比很小，即，则可以进行线性化近似处理：
用来代表被控对象的输入力，线性化后两个运动方程如下：
进行拉氏变换，得：
（2-9）
由于输出为角度，求解方程组的第一个方程，可以得到：
，即：
（2-10）
（10）式称为摆杆角度与小车位移的传递函数
如令，则有：
（2-11）
（11）式称为摆杆角度与小车加速度间的传递函数，由于伺服电机的速度控制易于实现在实验中常采用此式。
把（10）式代入（9）式的第二个方程中，得到：
（2-12）
其中，
（12）式称为摆杆角度与外加作用力间的传递函数
2.2实际系统的模型参数
M：
小车质量 1.096kg
m：
摆杆质量 0.109kg
b：
小车摩擦系数 0.1N/sec
l：
摆杆转动轴心到杆质心的长度 0.25m
I：
摆杆惯量 0.0034kgm2
2.3实际数学模型
把上述参数代入，可以得到系统的实际模型。
1）摆杆角度和小车位移的传递函数：
（2-13）
2）摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：
（2-14）
3）摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：
（2-15）
4）小车位置和加速度的传递函数
（2-16）
3开环系统的时域分析
3.1摆杆角度为输出响应的时域分析
本系统采用以小车的加速度作为系统的输入，摆杆角度为输出响应，此时的传递函数为
（3-1）
图3.1摆杆角度的单位脉冲响应曲线图
图3.2摆杆角度的单位阶跃响应曲线图
3.2小车位置为输出响应的时域分析
采用以小车的加速度作为系统的输入，小车位置为响应，则此时的传递函数为
（3-2）
图3.3小车位置的单位脉冲响应曲线图
图3.4小车位置的单位阶跃响应曲线图
由于以上时域分析中所有的传递函数的响应图都是发散的，所以系统不稳定，需要校正。
4根轨迹法设计
4.1原系统的根轨迹分析
本系统采用以小车的加速度作为系统的输入，摆杆角度为输出响应，此前已经得出的传递函数为
（4-1）
运行结果：
闭环零点z=Emptymatrix:
0-by-1
闭环极点p=5.1136-5.1136
图4.1原系统根轨迹曲线图
可以看出，系统无零点，有两个极点，并且有一个极点为正。
画出系统闭环传递函数的根轨迹如图2-6，可以看出闭环传递函数的一个极点位于右半平面，并且有一条根轨迹起始于该极点，并沿着实轴向左跑到位于原点的零点处，这意味着无论增益如何变化，这条根轨迹总是位于右半平面，即系统总是不稳定的。
4.2串联超前校正装置设计
对此系统设计控制器，使得校正后系统的要求如下：
调整时间：
；
最大超调量：
4.2.1确定闭环期望极点的位置
由最大超调量（4.2）
4.2闭环主导极点所在的极坐标图
在此我们对超调量留有一定余量，令
可以得到：
由可以得到：
（弧度）
其中为位于第二象限的极点和O点的连线与实轴负方向的夹角。
又由：
对调节时间留有一定余量，令（±
2%的误差带）
取其为0.2s，可以得到：
，于是可以得到期望的闭环主导极点为：
代入数据后，可得期望的闭环主导极点为：
4.2.2超前校正传递函数设计
未校正系统的根轨迹在实轴和虚轴上，不通过闭环期望极点，因此需要对系统进行超前校正，设控制器为：
（4-3）
4.2.3校正参数计算
计算超前校正装置应提供的相角，已知期望的闭环主导极点和系统原来的极点的相角和为：
（4-4）
因此校正装置提供的相角为：
（4-5）
又已知
对于最大的α值的γ角度可由下式计算得到：
（4-6）
γ
图4.3直线一级倒立摆根轨迹计算图
由于角度都已求出，线段SO的长度即为自然频率的大小，故可用正弦定理计算，求出超前校正装置的零点和极点（正弦定理）
分别为：
4.2.4超前校正控制器
校正后系统的开环传递函数为：
（4-7）
由幅值条件，并设反馈为单位反馈，所以有
对相应参数保留五位有效值，于是我们得到了系统的控制器：
（4.8）
4.2.5matlab环境下串联超前校正后的根轨迹图
在MATLAB中编写如下的m文件,对系统进行仿真,运行即可以得到以上的计算结果，校正后系统的跟轨迹如下图所示：
图4.4串联超前校正后系统的根轨迹图
从图4.4中可以看出，系统的三条根轨迹都有位于左半平面的部分，选取适当的K就可以稳定系统。
4.2.6simulink环境下对串联超前校正的仿真
图4.5串联超前校正simulink流程图
图4.6串联超前校正后的阶跃响应曲线
4.3串联滞后-超前校正装置设计
4.3.1控制器的设计
可以看出，系统在0.5s的时间内可以稳定，响应比较迅速，超调比较小。
为使系统满足相应的要求，减少稳态误差，在超前校正的基础上可以引入滞后校正装置。
滞后校正的传递函数采用
（4-9）
则此时总的超前-滞后校正传递函数为
（4-10）
4.3.2simulink环境下对串联超前校正的仿真
图4.7串联滞后-超前校正simulink流程图
图4.8串联超前校正后的阶跃响应曲线
由上图可以看出，加入滞后环节中超调量增加不是很大，但是稳态误差已经明显减少了,所以说串联滞后-超前装置对于改善系统性能来说
升级会员 