直线型一级倒立摆系统的控制器设计.pdf

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直线型一级倒立摆系统的控制器设计

引言

1.设计目的

(1)熟悉直线型一级倒立摆系统

(2)掌握极点配置算法

(3)掌握MATLAB/simulink动态仿真技术

2.设计要求

基于极点配置算法完成对于直线型一级倒立摆系统的控制器设计

3.系统说明

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统,对倒立摆系统的研

究能有效的反映控制中的许多典型问题:如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、

随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制,用来检验新的控制方法是否有

较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时,其控制方法在军工、航天、机

器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途,如机器人行走过程中的平衡控制、

火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。

4.设计任务

(1)建立直线型一级倒立摆系统的状态空间表达式。

(2)对该系统的稳定性、能观性、能控性进行分析。

(3)应用极点配置法对该直线型一级倒立摆系统进行控制器设计。

1

(4)使用MATLAB/simulink软件验证设计结果

目录

设计目的.2-4

设计要求:.

系统说明:.4-5

设计任务.5-8

运行结果.8-11

收获与体会.10

参考文献.12

2

1.设计目的

(1)熟悉直线型一级倒立摆系统

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统,对倒立摆系统的研究能

有效的反映控制中的许多典型问题:如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随

动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制,用来检验新的控制方法是否有较

强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时,其控制方法在军工、航天、机器

人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途,如机器人行走过程中的平衡控制、

火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。

直线型一阶倒立摆受控过程如下:

状态一:系统处于自然稳定状态即受控杆自然下垂、运动平台速度为零、控制器

未工作。

状态二:控制器工作,驱动运动平台运动,在惯性作用下,受控杆摆动。称为起

摆状态。具体的解决控制方法有能量起摆

状态三:受控杆稳定控制,当受控杆上升到模型预计的小角度范围时,启动该控

制算法。

状态四:受控杆稳定。倒立摆从自然稳定状态进入受控稳定状态。

(2)掌握极点配置算法

掌握用极点配置法把系统的闭环极点配置到希望的极点位置上,从而获得良好的

系统性能指标,极点配置的实质是用比例反馈去改变原系统的自由运动模式,以

满足设计规定的性能要求。经典控制理论中,闭环传递函数的极点影响着系统运

动的模态,要求稳定即使极点全部具有负实部。线性定常系统状态空间模型为:

xAxBu

yCx

基于状态反馈的极点配置

若将状态作为反馈变量形成负反馈,可记:uKxRv

其中K为状态反馈增益矩阵,R为前馈增益矩阵,目的是使系统稳态误差为零,

•

v为参考输入。代入,可得状态反馈后的系统状态空间模型:xABKxBRv

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