倒立摆课程设计

控制系统综合设计

倒立摆控制系统

目录

第1章 整体方案设计 .......................................................................................................... 1

1.1需求分析 ................................................................................................................ 1 1.2目标设定 ................................................................................................................ 1 1.3概念设计 ................................................................................................................ 1 1.4整体开发方案设计及评估 ......................................................................................... 1 第2章 系统设计 ................................................................................................................. 2

2.1功能分析 ................................................................................................................ 2 2.2 设计规范和约束...................................................................................................... 2 2.3 详细设计 ............................................................................................................... 3

2.3.1原料清单 ...................................................................................................... 3 2.3.2设计原型 ...................................................................................................... 4 2.3.3 产品分析 ...................................................................................................... 5 2.4面向制造及装配的设计 ............................................................................................ 5

2.4.1底座设计 ...................................................................................................... 5 2.4.2 小车部分的设计 ............................................................................................ 5 2.5 机械系统数学模型建立 ............................................................................................ 7 2.6机械传动装置及传动系统的特性 .............................................................................. 12 2.7传感器检测及其接口电路设计 ................................................................................. 14

2.7.2传感器接口技术 ............................................................................................ 14 2.7.3传感器非线性补偿原理 .................................................................................. 15 2.7.4数字滤波 ..................................................................................................... 15 2.8控制电动机选择及其计算 ........................................................................................ 16

2.8.1硬件设计 ..................................................................................................... 16 2.8.2软件设计 ..................................................................................................... 16 2.9控制器及其接口设计 .............................................................................................. 16

2.9.1硬件设计 ..................................................................................................... 16 2.9.2软件设计 ..................................................................................................... 18

第3章 理论分析 ............................................................................................................... 20

3.1控制系统建模 ........................................................................................................ 20 第4章 控制器设计 ............................................................................................................ 22

4.1基于频率响应的控制器设计 ..................................................................................... 22

4.2.1 PID控制原理 ............................................................................................... 25 4.2.2倒立摆的PID控制 ............................................................................................... 26

4.2.3 Sinmulink环境下PID参数的整定 ................................................................... 27 4.2.4 程序扫描法得到合适的kp、ki、kd ................................................................. 29 4.2.5 三种控制器的比较和总结 ............................................................................. 30

第5章 元器件、设备选型 .................................................................................................. 31

5.1电机 ..................................................................................................................... 31 5.2同步带 .................................................................................................................. 32 5.3运动控制器 ........................................................................................................... 32 第6章 安装调试 .............................................................................................................. 33

6.1 软件安装及使用方法 .............................................................................................. 33 6.2在MATLAB Simulink 下对超前校正系统进行仿真 ....................................................... 35 6.3在MATLAB Simulink 下对滞后—超前校正系统进行仿真 ............................................. 35 6.4 在MATLAB Simulink 下对PID控制进行仿真 ............................................................. 36 第7章 加工制作 ............................................................................................................... 36

7.1加工方案 ............................................................................................................... 36 7.2加工图纸 ............................................................................................................... 37 第8章 经济性分析 ............................................................................................................ 37

8.1市场分析 ............................................................................................................... 37 8.2市场运作 ............................................................................................................... 38 第9章 个人总结 ............................................................................................................... 38 参考文献 .......................................................................................................................... 38

第1章 整体方案设计

1.1需求分析

通过市场调查分析我们了解到：倒立摆系统是目前大学实验室里常见的实验设备，他是一类典型的非线性控制系统。在控制系统中，不稳定的非线性系统的建模和控制器的设计有许多需要克服的难点问题，有必要首先在实验室中做研究。但是绝大部分的不稳定系统都是非常危险的。因此这成为实验室研究的主要障碍。而倒立摆系统具有结构简单、动态特性明显，且控制方法的优劣都能够很好的在倒立摆系统中体现出来。因此，它常用来检测控制策略的效果。是控制理论研究中较为理想的实验手段。因此倒立摆系统主要应用在实验室中，虽然使用群体相对来说是比较狭窄的，但是理工科大学实验室却也有着可以发展的市场前景。调查发现，目前市场上的倒立摆系统大多都比较昂贵，价格在几万块钱左右。 1.2目标设定

根据产品需求分析，我们发现倒立摆系统在理工科大学的实验室有着很好的发展前景。但是同类产品的价钱都比较昂贵，对于我国大学实验室购置多套市场上的倒立摆系统这是一笔不小的开销。于是我们就将我们的产品投放目标设定于普通高校的实验室。 1.3概念设计

用一种强有力的控制方法对小车的速度作适当的控制，从而使摆杆倒置稳定于小车正上方。倒立摆刚开始工作时，首先使小车按摆杆的自由振荡频率摆动，摆杆随之大幅度摆动。经过几次摆动后，摆杆能自动直立起来。这种被控量既有角度，又有位置，且它们之间又有关联，具有非线性、时变、多变量耦合的性质。 1.4整体开发方案设计及评估

倒立摆系统整体开发方案包括前期市场分析、产品设计（包括数学建模、控制系统设计、软件设计、元器件选型等）、控制模型测试、经济性分析（包括市场分析、市场运作、成本分析等）、方案评估五大模块。

此开发方案能将倒立摆控制性能进一步提高，并且符合市场需求，可行性很高。

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第2章 系统设计

2.1功能分析

直线一级倒立摆系统的硬件组成以及工作原理、功能。

倒立摆系统包含倒立摆本体、电控箱及出计算机和运动控制卡组成的控制平台三大部分，组成了一个闭环系统。其结构件图如图2-1所示：

图2-1一级倒立摆系统结构简图

直线一级倒立摆系统的工作原理如图2-2所示：

图2-2倒立摆系统工作原理图

电机编码器和角码器向运动控制卡反馈小车和摆杆位置，摆杆的角度由光电码盘测量得到，而角速度信号可以通过对角度的差分得到，并同时反馈给控制卡和伺服驱动器。计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策(小车向哪个方向移动，移动速度，加速度等)，并由运动控制卡来实现控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，带动小车运动，保持摆杆平衡。 2.2 设计规范和约束

用现代控制理论中的状态反馈方法来实现倒立摆系统的控制，就是设法调整闭环系统的极点分布，以构成闭环稳定的倒立摆系统，它的局限性是显而易见的。只要偏离平衡位

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