目录
一、任务书 ........................................................................... 错误！未定义书签。
（二）、题目 .............................................................................................. 1 （二）、要求 .............................................................................................. 1 （三）、任务 ............................................................................................... 1 （四）、设计报告要求 ........................................................................ ...... ..1 （五）、格式要求 ........................................................................................ 2 （六）、系统模型 ........................................................................................ 2 二、总体设计 ...................................................................................................... 4 （一）、一阶倒立摆系统的介绍 ................................................................. 4 （二）、一阶倒立摆系统的模型建造 .......................................................... 4 （三）、一阶倒立摆系统的受力分析 .......................................................... 5 三、超前校正控制器设计 .................................................................................... 6
（一）、系统分析 ........................................................................................ 6 （二）、控制器仿真设计 ............................................................................ 6 （三）、实际系统运行分析 ......................................................................... 7 四、滞后超前校正控制器设计 ............................................................................ 8
（一）、系统分析 ........................................................................................ 8 （二）、控制器仿真设计 ............................................................................ 8 （三）、实际系统运行分析 ......................................................................... 9 五、PID控制 ....................................................................................................... 10 （一）、系统分析 ....................................................................................... 10 （二）、控制器仿真设计 ........................................................................... 10 （三）、实际系统运行分析 ........................................................................ 11 六、状态空间极点配置控制 ............................................................................... 12
（一）、系统分析 ....................................................................................... 12 （二）、控制器仿真设计 ........................................................................... 12 （三）、实际系统运行分析 ........................................................................ 13 七、收获、感想 .................................................................................................. 14 八、参考文献 ..................................................................................................... 15
控制系统分析与综合实训报告用纸
一、 任务书
《控制系统集成综合实训》任务书
（一）、题目：基于MATLAB的一级倒立摆控制系统控制器设计与仿真分析 （二）、要求：对给定直线倒立摆系统模型，首先利用MATLAB对系统进行根轨迹、bode图分析，及状态能控性分析，然后根据控制系统设计指标进行相应控制器设计，在MATLAB仿真环境下得到控制器参数，再将其写入实际倒立摆控制系统中，观察实际控制效果，进行控制参数的适当调整。
（三）、任务：分析建立一级倒立摆系统模型，然后完成以下控制器仿真设计和实时调试，并对实际系统运行状况进行分析。
1、超前校正控制器设计
设计指标：调整时间ts = 0.5s (2%) ；最大超调量δp≤10%
设计步骤：先对传递函数模型进行根轨迹分析，讨论原系统的稳定性等，然后利用sisotool设计超前校正控制器，仿真满足设计要求后，再在实际系统中运行测试控制效果，观察分析实际控制现象，进行参数微调。
2、滞后超前校正控制器设计
设计指标：系统的静态位置误差常数为10，相位裕量为500 ，增益裕量等于或大于10 分贝。
设计步骤：先对传递函数模型进行bode图分析，讨论原系统的稳定性等，然后利用sisotool设计滞后超前校正控制器，仿真满足设计要求后，再在实际系统中运行测试控制效果，观察分析实际控制现象，进行参数微调。
3、PID控制
设计指标：调整时间ts 尽量小；最大超调量δp≤10%
设计步骤：先在MATLAB/SIMULINK下构建PID仿真控制系统，依照PID参数整定原则进行系统校正，仿真满足设计要求后，再在实际系统中运行测试控制效果，观察分析实际控制现象，进行参数微调。
4、状态空间极点配置控制
设计指标：要求系统具有较短的调整时间（约3秒）和合适的阻尼（阻尼比ζ= 0.5-0.7）。
设计步骤：先对系统进行能控性分析，然后根据设计要求选择期望极点（考虑主导极点），编程求出反馈矩阵K，进行系统仿真。仿真满足设计要求后，再在实际系统中运行测试控制效果，观察分析实际控制现象，进行参数微调。
（四）、设计报告要求： 报告提供如下内容 1 封面 2 目录 3 正文
（1）任务书
（2）分别对四个设计任务按照系统分析、控制器仿真设计、实际系统运行分析形成报告
4 收获、体会 5 参考文献
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（五）、格式要求： 题目小三，宋体加粗
目录、正文、小标题均为小四宋体，其中标题加粗。 一、二、三级标题分别以：一、（一）、1.1
（六）、系统模型：
1、直线倒立摆系统摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：
2、以小车加速度作为输入的系统状态方程：
3、一级倒立摆系统实际超前校正控制simulink图：
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4、一级倒立摆系统实际滞后超前校正控制simulink图：
5、一级倒立摆系统实际PID控制simulink图：
6、一级倒立摆系统实际状态空间极点配置控制控制simulink图：
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二、 总体设计方案
（一）、一阶倒立摆系统的介绍
倒立摆是进行控制理论研究的典型实验平台。倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。最初研究开始于二十世纪50 年代，某省理工学院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。
倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。由于控制理论的广泛应用，由此系统研究产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截控制系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制和一般工业应用等方面具有广阔的利用开发前景。平面倒立摆可以比较真实的模拟火箭的飞行控制和步行机器人的稳定控制等方面的研究。
（二）、一阶倒立摆系统的模型建造
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