计算机控制技术课程设计-针对直线一级倒立摆的PID控制系统设计.doc

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沈阳航空航天大学
课程设计
(论文)
题目针对直线一级倒立摆的PID控制系统设计
班级 94070201
学号 2009040702020
学生姓名农夫三拳
指导教师
沈阳航空航天大学
课程设计任务书
课程名称计算机控制技术课程设计
院(系) 自动化学院专业自动化
班级 9407201 学号 2009040702020 姓名农夫三拳
课程设计题目针对直线一级倒立摆的PID控制系统设计
课程设计时间: 2012 年 7 月 9 日至 2012 年 7 月 20日
课程设计的内容及要求:
1. 内容
以直线一级倒立摆实验平台为实验对象,设计一个计算机控制的PID控制系统。保证倒立摆的摆杆垂直于水平面。
2. 要求
(1)制定设计方案,并绘制出系统工作框图。
(2)按要求设计PID控制算法,并编写程序。
(3)用matlab进行程序设计与调试并进行仿真。
(4)通过直线一级倒立摆实验平台检验PID控制器的实际控制效果。
(5)撰写一篇6000~8000字左右的课程设计报告。
指导教师年月日
负责教师年月日
学生签字年月日
目录
0. 前言 1
1. 倒立摆数学模型和编码器基本理论 2
2. 方案设计 5
3. 硬件电路的工作原理 6
6
control模块 6
4. 软件编程 7
5. matlab仿真及系统调试和结果分析 8
6. 结论及进一步设想 13
参考文献 14
附录1 元件清单 15
课设体会 16
针对直线一级倒立摆的PID控制系统设计
农夫三拳沈阳航空航天大学自动化学院
摘要:倒立摆系统的控制是控制理论应用的一个典型范例,其结构简单、成本较低,便于用模拟或数字方法进行控制。虽然其结构形式多种多样,但无论何种结构,就其本身而言,都是一个非最小相位、多变量、绝对不稳定的非线性系统。由于倒立摆系统的绝对不稳定性,必须采取有效的措施稳定它。其控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途。本文采用PID控制方法,利用matlab的simulink工具进行仿真,实现了倒立摆的稳定控制。具有较强的适应性和鲁棒性,获得良好的动态性能和稳态性能。
关键词:PID控制;倒立摆;matlab
0. 前言
倒立摆的研究始于20世纪50年代,由麻省理工学院(Mrr)的控制理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,接着研究人员又参照双足机器人的步行控制问题研制了二级倒立摆,后来又在二级倒立摆上继续铰接一级或二级摆,提出了对三级和四级倒立摆的控制研究,迸一步提高了检验控制理论或方法的能力,拓宽了控制理论和控制方法的检验范围。1966年Schaefer和Cannon应用Bang-Bang控制理论,将一个曲轴稳定于倒置位置。其后,作为一个典型的不稳定、严重非线性的证例,提出了倒立摆的概念,并用其检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力,受到世界各国许多科学家的重视。倒立摆系统以其自身的不稳定性为系统的平衡提出了难题,也因此成为自动控制实验中验证控制算法优劣及好坏的实验装置。在多种控制理论与方法的研究和应用中,特别是工程实践中,也存在一种可行性的试验问题,倒立摆可为此提供一个控制理论通往实践的桥梁。
倒立摆系统是一个非线性自然不稳定系统, 是进行控制理论教学及开展各种控制策略的理想验证平台。倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性使得许多现代控制理论研究人员一直将它视为最佳的理论方法验证试验研究对象。他们不断从研究倒立摆控制中发掘出新的控制方法,并将其应用于航天科技和机器人学等各种高新科技领域。倒立摆系统是一个多变量、快速、非线性和自然不稳定系统,在控制过程中该系统能有效反映控制中的许多关键问题, 如非线性问题、系统的鲁棒性问题、随动问题、镇定问题及跟踪问题等。倒立摆在控制理论研究中是一种较为理想的实验装置,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。
目前,已经看到了多种先进的控制算法如最优控制、自适应控制、智能控制、自抗扰控制在倒立摆系统上成功应用的报道,但是很难看到采用常规PID控制成功地控制倒立摆系统的报道。而且还听到
‘用常规PID不能成功地控制倒立摆’的说法。众所周知,PID控制器是迄今为止应用最广泛、最通用控制器。在实际控制领域,有许多研究者认为‘PID控制器往往并不比先进控制器差’。那么,究竟是否可以确认“常规PID不能成功地控制倒立摆”的结论成立呢?这就是本文研究的主题。
本课题要求以直线一级倒立摆实验平台为实验对象,设计一个计算机控制的PID