自动控制原理倒立摆系统的控制器设计.doc

本科学生课程设计任务书 课程设计题目 倒立摆系统的控制器设计 学院 自动化学院 专业 自动化 年级 08 已知参数和设计要求： 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 利用根轨迹法设计控制器,使得校正后系统的性能指标满足: 调整时间 最大超调量 利用频率特性法设计控制器，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。 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 学生应完成的工作： 1、利用设计指示书中推导的模型及任务书中的实际参数，建立小车倒立摆的实际数学模型。 2、进行开环系统的时域分析。 3、利用根轨迹法设计控制器，进行闭环系统的仿真分析。 4、利用频域法设计控制器，进行闭环系统的仿真分析。 5、设计PID控制器，进行闭环系统的仿真分析。 6、完成课程设计报告。 参考资料： 1、涂植英，陈今润.自动控制原理.重庆:重庆大学出版社,2005 2、胡寿松.自动控制原理.北京:科学出版社,2001 3、Katsuhiko Ogata.现代控制工程.北京:电子工业出版社,2003 4、固高科技有限公司.直线倒立摆安装与使用手册R1.0,2005 5、固高科技有限公司. 倒立摆与自动控制原理实验,2005 6、Matlab/Simulink相关资料 课程设计的工作计划： 1、参考相关资料，消化设计内容（2天）； 2、按要求完成设计任务（5天））） 指导教师 （签名） 学 生 （签名） 摘要及关键词： 自动化技术在现代社会的应用越来越广泛，掌握好自动控制理论，并学会设计相应的控制器，实现一定的实际控制功能对本专业的学生来说是基本功扎实的良好体现，也是将来能对提高社会生产力做自己的贡献的前提。因此，此次设计我们将比较详细的讨论控制器的根轨迹设计，频域分析法以及PID控制器设计。 关键词：自动化技术，自动控制理论，控制器，根轨迹，频域分析，PID控制器 1.目录 1 引言 6 1.1控制理论的发展 6 1.2 课程设计概述 6 1.2.1 什么是工程设计？ 6 1.2.2 什么是控制系统设计？ 6 1.2.3 什么是课程设计？ 7 1.3 倒立摆系统概述 7 1.3.1 倒立摆系统简介 7 1.3.2倒立摆分类 7 1.4 控制器设计方法 9 2 控制器设计过程 10 2.1 背景分析 10 2.1.1 建立数学模型 10 2.2.1根轨迹分析 13 2.2.2 根轨迹校正 13 2.3 频域分析法设计 17 2.3.1. 频域分析 17 2.3.2 控制器设计 19 2.4 PID控制器 24 2.4.1 PID控制器的概念 24 2.4.2 PID 控制器参数设定及仿真 24 3总结及心得体会 28 1 引言 1.1控制理论的发展 自动控制科学和工程是20世纪最重要的科学理论和成就之一，其各个阶段理论的发展及技术进步都与生产和社会实践密切相关。 一般认为，自动化技术学科，萌芽于1765年俄国人波尔佐诺夫发明蒸汽锅炉水位调节器和1784年英国人瓦特发明蒸汽机离心飞锤式调速器。从那时起的一百多年来，随着社会生产力的发展和需要，自动控制技术和理论也得到不断的发展和提高。20世纪50年代末60年代初，由于空间技术发展的需要，对自动控制的精密性和经济指标，提出了极其严格的要求；同时由于数字计算机，特别是微型机的迅速发展，为控制理论的发展提供了有力的工具。在它们的推动下，控制理论有了重大发展，如庞特里亚金的极大值原理，贝尔曼的动态规划理论，卡尔曼的能控性、能观测性和最优滤波理论等。这些都标志着控制理论已从经典理论控制理论发展到现代控制理论阶段。 现在，随着技术革命和大规模复杂系统的发展，已经促使控制理论开始向第3个发展阶段即第3代控制理论——大系统理论和智能控制理论发展。 1.2 课程设计概述 1.2.1 什么是工程设计？ 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