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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:
•
xAxBu
yCx
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:uKxRv
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:xABKxBRv
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