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单级倒立摆的模糊控制以及在MATLAB中的仿真

单级倒立摆的模糊控制以及在MATLAB中的仿真
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单级倒立摆的模糊控制以及在MATLAB中的仿真

摘要

倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强藕合和快速运动的自然不稳定系统。因此倒立摆在研究双足机器人直立行走、火箭发射过程的姿态调整和直升机飞行控制领域中有重要的现实意义,相关的科研成果己经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。

本文围绕一级倒立摆系统,采用模糊控制理论研究倒立摆的控制系统仿真问题。仿真的成功证明了本文设计的模糊控制器有很好的稳定性。主要研究工作如下:

(1)使用了牛顿力学和Lagrange方程对倒立摆进行数学建模,推导出倒立摆系统传递函数和状态空间方程。

(2)分析了模糊控制理论的数学基础,对模糊控制的方法进行了研究:介绍了模糊子集、模糊关系和模糊推理等相关知识。

(3)介绍了如何利用Simulink建立倒立摆系统模型,特别是利用Mask封装功能,使模型更具灵活性,给仿真带来很大方便。

(4)进行一级倒立摆系统的控制器设计与仿真。通过matlab的Simulink实现倒立摆模糊控制系统的仿真。说明仿真结果的趋向。

关键词:倒立摆模糊控制仿真MATLAB

第一章绪论

1.1 倒立摆系统的重要意义

倒立摆系统是研究控制理论的一种典型实验装置,具有成本低廉,结构简单,物理参数和结构易于调整的优点,是一个具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强藕合特性的不

稳定系统。在控制过程中,它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题,是检验各种控制理论的理想模型。迄今人们已经利用经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理论实现了多种倒立摆系统的控制稳定。倒立摆主要有:有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆;倒立摆的级数有一级、二级、三级、四级乃至多级;倒立摆的运动轨道可以是水平的,也可以是倾斜的:倒立摆系统己成为控制领域中不可或缺的研究设备和验证各种控制策略有效性的实验平台。同时倒立摆研究也具有重要的工程背景:如机器人的站立与行走类似双倒立摆系统;火箭等飞行器的飞行过程中,其姿态的调整类似于倒立摆的平衡等等。因此对倒立摆控制机理的研究具有重要的理论和实践意义。

1.2 倒立摆系统的控制方法

自从倒立摆产生以后,国内外的专家学者就不断对它进行研究,其研究主要集中在下面两个方面:

(1)倒立摆系统的稳定控制的研究

(2)倒立摆系统的自起摆控制研究

而就这两方面而言,从目前的研究情况来看,大部分研究成果又都集中在第一方面即倒

立摆系统的稳定控制的研究。目前,倒立摆的控制方法可分如下几类:

(1)线性理论控制方法

将倒立摆系统的非线性模型进行近似线性化处理获得系统在平衡点附近的线性化模型,然后再利用各种线性系统控制器设计方法得到期望的控制器。如1976年Mori etc的把倒立摆系统在平衡点附近线性化利用状念空间的方法设计比例微分控制器。1980年,Furuta etc基于线性化方法,实现了二级倒立摆的控制。1984年,Furuta首次实现双电机三级倒立摆实物控制。1984年,wattes研究了LQR(Linear Quadratic Regulator)方法控制倒立摆。这类方

法对一、二级的倒立摆(线性化后误差较小、模型较简单)控制时,可以解决常规倒立摆的稳定控制问题。但对于像非线性较强、模型较复杂的多变量系统(三、四级以及多级倒立摆)线性系统设计方法的局限性就十分明显了。

(2)预测控制和变结构控制方法

由于线性控制理论与倒立摆系统多变量、非线性之间的矛盾使人们意识到针对多变量、非线性对象,采用具有非线性特性的多变量控制解决多变量、非线性系统的必由之路。人们先后开展了预测控制、变结构控制和自适应控制的研究。预测控制是一种优化控制方法,强调实模型的功能而不是结构。变结构控制是一种非连续控制,可将控制对象从任意位置控制到滑动曲面上,仍然保持系统的稳定性和鲁棒性,但是系统存在颤抖。预测控制、变结构控制和自适应控制在理论上有较好的控制效果,但由于控制方法复杂,成本也高,不易在快速变化的系统上实时实现。

(3)智能控制方法

在倒立摆系统中用到的智能控制方法主要有神经网络控制、模糊控制、仿人智能控制、拟人智能控制和云模型控制等。利用神经网络的自适应能力、并行处理和高度鲁棒性,采用神经网络方法设计的控制系统将具有更快的速度、更强的适应能力和更强的鲁棒性。但是神经网络控制方法存在的主要问题是缺乏一种专门适合于控制问题的动态神经网络,而且多层网络的层数、隐层神经元的数量、激发函数类型的选择缺乏指导性原则等。

拟人智能控制模糊控制、神经网络控制等智能控制理论的问世,促进了当代自动控制理论的发展。然而,基于这些智能控制理论所设计的系统往往需要庞大的知识库和相应的推理机,不利于实现实时控制。这又阻碍了智能控制理论的发展,因此又有学者提出了一种新的理论一拟人控制理论。

仿人智能控制仿人智能控制的基本思想是通过对人运动控制的宏观结构和手动控制行

为的综合模仿,把人在控制中的“动觉智能”模型化,提出了仿人智能控制方法。研究结果表明,仿人智能控制方法解决复杂、强非线性系统的控制具有很强的实用性。

云模型控制利用云模型实现对倒立摆的控制,用云模型构成语言值,用语言值构成规则,形成一种定性的推理机制。这种拟人控制不要求给出被控对象精确的数学模型,仅仅依据人的经验、感受和逻辑判断,将人用自然语言表达的控制经验,通过语言原子和云模型转换到语言控制规则器中,就能解决非线性问题和不确定性问题。

鲁棒控制方法---鲁棒控制的研究始于20世纪50年代,是一种解决非线性、复杂性和不确定性的工具,发展方向是面向那些不确定因素变化范围大和稳定裕度小的对象。但是,鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计成功,就不需太多的人工干预。另一方面,如果要升级或作重大调整,系统就要重新设计。

1.3 论文的主要工作

本论文的主要工作是研究了直线一级倒立摆系统的模糊控制问题,用Matlab和Simulink 对一级倒立摆模糊控制系统进行了仿真,验证了设计的可行性。具体内容如下:

(1)论述了一级倒立摆数学建模方法,推导出他们的微分方程,以及线性化后的状态方程。

(2)讨论了单级倒立摆系统的模糊控制方法和操作步骤。

(3)用Simulink实现了单级倒立摆模糊控制仿真系统,分别给出一级倒立摆系统控制量的响应曲线。通过仿真说明控制器的有效性和实现性。

(4)对论文的工作进行总结和下一步工作的展望。

第二章倒立摆的建模

本章研究倒立摆系统的数学模型推导。

系统建模可以分为两种:机理建模和实验建模。实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号,激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出,应用数学手段建立起系统的输入和输出之间的关系。机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上,通过物理、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入一状态关系。对于倒立摆系统,由于其本身是自不稳定的系统,实验建模存在一定的困难。但是经过小心的假设忽略掉一些次要的因素后,倒立摆系统就是一个典型的运动的刚体系统,可以在惯性坐标系内应用经典力学理论建立系统的动力学方程。下面我们采用其中的牛顿一欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型。

2.1一级倒立摆的数学模型

在忽略了空气阻力,各种摩擦之后,可以将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组

成的系统,如图2—1所示。

各参数符号含义如下:

M 小车质量 单位:Kg ;

m 摆杆质量 单位:kg

b 小车摩擦系数 单位:N/m/sec

1摆杆转动轴心到杆质心的长度 单位:m

I 摆杆惯量 单位:kg

F 加在小车上的力 单位:N

x 小车位置单位:kg

ψ摆杆与垂直向上方向的央角(ψ=θ-Π) 单位:rad

θ摆杆与垂直向下方向的央角(考虑到摆杆初始位置为竖直向下) 单位:rad

图2—2是系统中小车和摆杆的受力分析图。其中,N 和助小车与摆杆相互作用力的水平和垂

直方向的分量。

矢量定义如图2-2所示,图示方向为矢量正方向。

倒立摆的数学模型分析:

根据图2-2所示的倒立摆系统简图,设计和分析其模糊控制器。下面给出了该系统的微

分方程(Kailaith ,1980;Craig ,1986)

()()()t u m dt d ml +=+-τθθsin lg 222 (1)

这里m 是摆杆的质量,l 是摆长,θ是从垂直方向上的顺时针偏转角,τ=u (t )为作用于

杆的逆时针扭矩【u (t )是控制作用】,t 是时间,g 是重力加速度常数。

假设dt d x x θθ==21,为状态变量,有等式(1)给出的非线性系统的的状态空间表

达式为 21x dt x d =

()()()

()t u ml x l g dt x d 2121sin -= 从所周知,当偏转角θ很小时,有sin (θ)=θ,这里所测得θ用弧度表示。由此式可将状

态空间表达式线性化,并得

21x dt x d =

()()()22121t u ml x l g dt x d -=

若所测1x 用度表示,2x 用每秒度表示,当取l=g 和m=()2

180g

π时,线性离散时间状态空间表达式可用矩阵查分方程表式 ()()()k x k x k x 2111+=+

()()()()k u k x k x k x -+=+2121

在此问题中,设上述两变量的论域为

221≤≤-x 和s rad x s rad 552≤≤-,则设计步

骤为

第1步。首先,对1x 在其论域上建立三个隶属度函数,即如图 1所示的正值(P )、

零(Z )和负值(N )。然后,对2x 在其论域上亦建立3个隶属度函数,即图2所示的正值

(P )、零(Z )和负值(N )。

x的分区

图2-3 输入

1

x的分区

图2-4输入

2

第2步。为划分控制空间(输出),对()k u在其论域上建立5个隶属度函数,()24

u,如图3(注意,图上划分为7段,但此问题中只用了5段)。

-k

24≤

图2-5输出u 的分区

第3步。用表1所示的3*3规则表的格式建立9条规则(即使我们可能不需要这么多)。

本系统中为使倒立摆系统稳定,将用到θ和dt d θ。表中的输出即为控制作用u(t)。 X1

x2

P Z N

P

PB P Z Z

P Z N N Z N NB 表1模糊控制规则表

第4步。我们可用表1中规则导出该控制问题的模型。并用图解法来推导模糊运算。

假设初始条件为

()

101=x 和 ()s r a d x 402-= 然后,我们在上例中取离散步长30≤≤k ,并用矩阵差分方程式导出模型的四部循环

式。模型的每步循环式都会引出两个输入变量的隶属度函数,规则表产生控制作用u(k)的隶

属度函数。我们将用重心法对控制作用的隶属度函数进行精确化,用递归差分方程解得新的

1x 和2x 值为开始,并作为下一步递归差分方程式的输入条件。

分别为1x 和2x 的初始条件。从模糊规则表(表1)有

If(1x =P)and(2x =Z),then(u=P)

If(1x =P)and(2x =N),then(u=Z)

If(1x =Z)and(2x =Z),then(u=Z)

If(1x =Z)and(2x =N),then(u=N)

表示了控制变量u 的截尾模糊结果的并。利用重心法精确化计算后的控制值为u=-2。

在已知u=-2控制下,系统的状态变为

()()()3001211-=+=x x x

()()()()10001212-=-+=u x x x

依次类推,可以计算出下一步的控制输出u(1)。模糊控制器能够满足倒立摆的运动控制。

第三章 模糊控制器的建立

3.1在MTALAB 中的fuzzy 控制器的建立与封装

在命令窗口中输入:fuzzy 然后回车可得出如下图所示:

图3-1 模糊控制器设置界面然后对其各个变量进行设置其步骤如下图3-2:

对输入变量X1进行设置如下图3-3所示:

变量X2的设置如下图3-4所示:

输出量的设置图3-5所示:

模糊规则控制表的设置如下图3-6所示:

设置出来的效果图如图3-7(a),(b),(c)所示:

(a)

(b)

3.2 最终在MATLAB中的搭建出来的框图如下:

主要的状态空间模块的参数设置如下:

第四章仿真结果以及分析

通过(fuzzy)模糊控制模块,可以和包含模糊控制器的fis文件联系起来,还可以随时改变输入输出论域,隶属度函数以及模糊规则。仿真结果如下图:图4-1和图4-2。

图4-1

分析如下:从图4-1仿真图中可以看出,仿真时间大概在1秒左右趋于平衡,但是图中曲线最终稳定在-2.3左右,而不是在0附近稳定,说明仿真参数可能没有设置合适,但是本人水

平有限,没有找到原因,但大致猜想,曲线应该最终稳定于0附近。

图4-2

分析如下:图4-1从图4-2仿真图中可以看出,仿真时间大概也在1秒左右趋于平衡,图中曲线最终稳定在0.3左右,接近于0附近稳定,基本实现了仿真预期效果。

第五章结语

从仿真结构来看,采用Mamdani模糊模型,可以获得良好的控制精度和响应速度。

本章主要完成了两个任务:一是在Matlab7.0的Simulink环境下建立了倒立摆系统的仿真模块,并采用位置模糊控制器控制的方法建立了一级倒立摆系统;二是对一级倒立摆系统进行了模糊控制的仿真试验,主要分析了模糊控制器的各

个参数对仿真的影响,从而筛选出一组比较适合的参数,通过仿真实现对一级倒立摆的稳定控制。

第六章参考文献

【1】王耀南,韦巍,何衍。智能控制基础.北京:清华大学出版社,2005.

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一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制方案范文,毕业设计

系统仿真课程设计报告 题目:一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制方案专业、班级: 学生姓名: 学号: 指导教师: 分数: 2012 年 6 月9 日

目录 摘要: (2) 一、引言 (2) 二、设计目的 (3) 三、设计要求 (3) 四、设计原理 (3) 五、设计步骤 (3) 1、单级倒立摆系统的构成........................ 错误!未定义书签。 2、单级倒立摆的数学模型 (4) 3、模糊控制器的设计 (6) 3.1单阶倒立摆模糊控制的基本思路 (6) 3.2隶属函数的定义 (6) 3.3模糊控制器规则 (7) 3.4解模糊 (8) 4、仿真实验 (8) 4.1MATLAB模糊逻辑工具箱 (8) 4.2系统数字仿真模型的建立 (11) 5、基于MATLAB的数字仿真结果 (12) 六、结论 (13) 七、感想和建议 (13) 八、致谢 (14) 九、参考文献 (15)

摘要:通过对单阶倒立摆的双闭环的控制数学模型的分析,采用模糊控制理论对倒立摆的控制系统进行计算机仿真。其中,内环控制倒立摆的角度,外环控制倒立摆的位置。在Matlab环境下的仿真步骤包括:定义隶属函数及模糊控制规则集,解模糊。结果表明,摆杆角度和小车位置的控制过程均具有良好的动态性能和稳定性能。 关键词:倒立摆;模糊逻辑控制;计算机仿真;MATLAB Abstract:based on the ChanJie inverted pendulum double closed loop control mathematical model analysis, the fuzzy control theory of the inverted pendulum control system by computer simulation. Among them, the inner loop control the point of view of the inverted pendulum, outside loop control the position of the inverted pendulum. In the Matlab environment simulation steps include: definition membership function and fuzzy control rule sets, solution is fuzzy. The results show that, swinging rod Angle and the car position control process are good dynamic performance and stable performance. Keywords: inverted pendulum; Fuzzy logic control; The computer simulation; Matlab 一、引言 在人类自然科学的发展历史上,人们总是以追求事物的精确描述为目的来进行研究,并取得了大量的成果。随着科学技术的进步,在社会生产和生活中存在的大量的不确定性开始引起人们的注意。有关模糊不确定性的研究直到1965年,美国的L.A.Zadeh教授首次提出模糊集合的概念之后得到广泛开展。 “模糊”是与“精确”相对而言的概念,模糊性普遍存在于人类的思维和语言交流中,是一种不确定性的表现。随机性则是客观存在的另一类不确定性,两者虽然都是不确定性,单存在本质上的区别。模糊性主要是人对概念外延的主观理解上的不确定性,而随机性则主要反映客观上的自然的不确定性,即对事件或行为的发生与否的不确定性。 一阶直线倒立摆系统是一个典型的“快速、多变量、非线性、自不稳定系统”,将模糊控制方法应用于一阶倒立摆系统的控制问题,能够发挥模糊控制在非线性系统控制、复杂对象系统控制方面的优势,简化设计,提高控制系统的鲁棒性。

模糊控制系统及其MATLAB实现

1. 模糊控制的相关理论和概念 1.1 模糊控制的发展 模糊控制理论是在美国加州伯克利大学的L.A.Zadeh 教授于1965 年建立的模糊集合论的数学基础上发展起来的。之后的几年间Zadeh 又提出了模糊算法、模糊决策、模糊排序、语言变量和模糊IF-THEN 规则等理论,为模糊理论的发展奠定了基础。 1975年,Mamdani 和Assilian 创立了模糊控制器的基本框架,并用于控制蒸汽机。 1978年,Holmblad 和Ostergaard 为整个工业过程开发出了第一个模糊控制器——模糊水泥窑控制器。 20世纪80年代,模糊控制开始在工业中得到比较广泛的应用,日本仙台地铁模糊控制系统的成功应用引起了模糊领域的一场巨变。到20世纪90年代初,市场上已经出现了大量的模糊消费产品。 近30 年来, 因其不依赖于控制对象的数学模型、鲁棒性好、简单实用等优点, 模糊控制已广泛地应用到图像识别、语言处理、自动控制、故障诊断、信息检索、地震研究、环境预测、楼宇自动化等学科和领域, 并且渗透到社会科学和自然科学许多分支中去, 在理论和实际运用上都取得了引人注目的成果。 1.2模糊控制的一些相关概念 用隶属度法来定义论域U 中的集合A ,引入了集合A 的0-1隶属度函数,用()A x μ表示,它满足: 1 ()0A x μ?=?? x A x A ∈? 用0-1之间的数来表示x 属于集合A 的程度,集合A 等价与它的隶属度函数()A x μ 模糊系统是一种基于知识或基于规则的系统。它的核心就是由所谓的 IF-THEN 规则所组成的知识库。一个模糊的IF-THEN 规则就是一个用连续隶属度函数对所描述的某些句子所做的IF-THEN 形式的陈述。例如: 如果一辆汽车的速度快,则施加给油门的力较小。 这里的“快”和“较小”分别用隶属度函数加以描述。模糊系统就是通过组合IF-THEN 规则构成的。 构造一个模糊系统的出发点就是要得到一组来自于专家或基于该领域知识的模糊IF-THEN 规则,然后将这些规则组合到单一系统中。不同的模糊系统可采用不用的组合原则。 用隶属度函数表征一个模糊描述后,实质上就将模糊描述的模糊消除了。 模糊控制系统设计的关键在于模糊控制器的设计。模糊控制器的设计主要有三个部分: (1) 输入量的模糊化 所谓模糊化(Fuzzification) 就是先将某个输入测量量的测量值作标准化处理,把该输入测量量的变化范围映射到相应论域中,再将论域中的各输入数据以相应

基于模糊控制的一级倒立摆控制系统设计【毕业作品】

BI YE SHE JI (20 届) 基于模糊控制的一级倒立摆控制系统设计 所在学院 专业班级自动化 学生姓名学号 指导教师职称 完成日期年月 II

摘要 倒立摆系统是研究控制理论的典型实验装置,具有价格低廉,结构简单,参数易于调整等优点。但是倒立摆同时也是一个典型的快速,非线性,多变量,本质不稳定系统,对于其稳定性的控制绝非易事。也正因为如此,对于倒立摆系统控制方法的研究和开发才具有重要和深远的意义。目前适用此系统的控制理论包括变结构控制,非线性控制,目标定位控制,智能控制等。 本文根据一级直线倒立摆系统,建立了数学模型,依据模糊控制的相关规则设计了模糊控制规则,并从位移和角度观点出发设计了双模糊控制器,经过仿真调试对重要参数进行不断的调试和优化,最终实现了“摆杆不倒,小车稳住”的总体目标。 对于实物实验系统,本文对构成倒立摆运动控制系统的电机,编码器和运动控制模块进行了比较选择,选择了交流伺服电机,增量式光电编码器和基于DSP技术的运动控制器作为主要的硬件组合,该运动控制器具有良好的性能,可以保证控制的精度。 关键词:倒立摆,模糊控制,系统设计,仿真,稳定 II

Abstract Inverted pendulum system is the study of the typical experiment device control theory, which is inexpensive, simple structure and easy to adjust the parameters. But it is also a system that typical rapid, nonlinear, many variables, and its essence is not stable, for its stability control is not going to be easy. Also because of this inverted pendulum system control method of the research and development are important and profound significance. At present the system for the control theory including variable structure control, nonlinear control, the goal positioning control, intelligent control, etc. According to the level of linear inverted pendulum system, this paper established the mathematical model, based on the fuzzy control rules we designed its fuzzy control rules, and from the view point of view design displacement and the dual fuzzy controller, through the simulation test of continuing the important parameters of debugging and optimization, and finally achieved "swinging rod, the car is not steady overall goal. For physical experiment system, this paper constitutes inverted pendulum motion control system of motor, encoder and motion control module are compared choice. Choose the ac servo motor, the solid-axes photoelectric encoder and the motion controller based on DSP technology as the main combination of hardware, this controller has good performance, and can ensure the precision of the control. Key words: inverted pendulum,Fuzzy control,System design ,The simulation,stability II

基于matlab的倒立摆模糊控制_课程设计报告

智能控制理论及应用课程设计报告 题目:基于matlab的倒立摆模糊控制 院系:西北民族大学电气工程学院

基于MATLAB的倒立摆模糊控制 摘要:倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置,并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后,系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。本文主要针对较为简单的单级倒立摆控制系统而进行的设计分析。通过建立微分方程模型,求出相关参数,设计出对应的模糊控制器,并运用MATLAB软件进行系统模型的软件仿真,从而达到预定控制效果。目前,一级倒立摆的研究成果应用于火箭发射推进器和控制卫星的飞行状态等航空航天领域。关键词:单级倒立摆;微分方程;模糊控制;MATLAB仿真 1背景分析 倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统,是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。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。 正是由于倒立摆系统的特殊性,许多不同领域的专家学者在检验新提出理论的正确性和实际可行性时,都将倒立摆系统作为实验测试平台。再将经过测试后的控制理论和控制方法应用到更为广泛的领域中去。现代控制理论已经在工业生产过程、军事科学、航空航天等许多方面都取得了成功的应用。例如极小值原理可以用来解决某些最优控制问题;利用卡尔曼滤波器可以对具有有色噪声的系统进行状态估计;预测控制理论可以对大滞后过程进行有效的控制。但是它们都有一个基本的要求:需要建立被控对象的精确数学模型。 随着科学技术的迅猛发展,各个领域对自动控制控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高,所研究的系统也日益复杂多变。然而由于一系列的原因,诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等,难以建立被控对象的精确模型。虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题,但范围是有限的。对于像二级倒立摆这样的非线性、多参数、强耦合的被控对象,使用

实验一--模糊控制器的MATLAB仿真

实验一 模糊控制器的MATLAB 仿真 一、实验目的 本实验要求利用MATLAB/SIMULINK 与FUZZYTOOLBOX 对给定的二阶动态系统,确定模糊控制器的结构,输入和输出语言变量、语言值及隶属函数,模糊控制规则;比较其与常规控制器的控制效果;研究改变模糊控制器参数时,系统响应的变化情况;掌握用 MATLAB 实现模糊控制系统仿真的方法。 实验时数:3学时。 二、实验设备:计算机系统、Matlab 仿真软件 三、实验原理 模糊控制器它包含有模糊化接口、规则库、模糊推理、清晰化接口等部分,输人变量是过程实测变量与系统设定值之差值。输出变量是系统的实时控制修正变量。模糊控制的核心部分是包含语言规则的规则库和模糊推理。模糊推理就是一种模糊变换,它将输入变量模糊集变换为输出变量的模糊集,实现论域的转换。工程上为了便于微机实现,通常采用“或”运算处理这种较为简单的推理方法。Mamdani 推理方法是一种广泛采用的方法。它包含三个过程:隶属度聚集、规则激活和输出总合。模糊控制器的体系结构如图1所示。 图1 模糊控制器的体系结构 四、实验步骤 (1)对循环流化床锅炉床温,对象模型为 ()()1140130120 ++s s 采用simulink 图库,实现常规PID 和模糊自整定PID 。 (2)确定模糊语言变量及其论域:模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器。该模糊控制器是以|e|和|ec|为输入语言变量,Kp 、Ki 、Kd 为输出语言变量,其各语言变量的论域如下:

误差绝对值:e={0,3,6,10}; 误差变化率绝对值:ec={0,2,4,6}; 输出Kp:Up={0,0.5,1.0,1.5}; 输出Ki:Ui={0,0.002,0.004,0.006}; 输出Kd:Ud={0,3,6,9}。 (3)语言变量值域的选取:输入语言变量|e|和|ec|的值域取值“大”(B)、“中”(M)、“小”(s)和“零”(Z) 4种;输出语言变量Kp、Ki、Kd的值域取值为“很大”(VB)、“大”(B)、“中”(M)、“小”(s) 4种。 (4)规则的制定:根据PID参数整定原则及运行经验,可列出输出变量Kp、Ki、Kd 的控制规则表。 (5)推理方法的确定 隐含采用“mamdani”方法:max-min; 推理方法,即“min”方法; 去模糊方法:面积中心法; 选择隶属函数的形式:三角型。

单级倒立摆

2011级自动化1班 杨辉云 P111813841 一级倒立摆的模糊控制 一.倒立摆的模型搭建 1. 单级倒立摆系统的数学模型 对于单级倒立摆,如果忽略了空气阻力和各种摩擦阻力之后,可将直线一级倒立摆系统抽象成沿着光滑导轨运动的小车和通过轴承链接的均质摆杆组成,如图所示,其中小车的质量M=1.40kg ,摆杆质量m=0.08kg ,摆杆质心到转动轴心距离L=0,.2m ,摆杆与垂直向下方向的夹角为,小车华东摩擦系数 f c =0.1。 摆杆 θ 传送带 导轨 直线单级倒立摆 2. 倒立摆控制系统数学模型的建立方法利用PID 控制和拉格朗日方程两种建模。 一级倒立摆系统的拉格朗日方程应为 L (q ,。 .q )=V (q ,。 q )—G (q ,。 q ) (1) 式中:L 是拉格朗日算子,V 是系统功能;G 系统势能。 dt d x ??L — x ??L + x ??D = fi (2)

式中:D 是系统耗散能, f c 为系统的第i 个广义坐标上的外力。 一级倒立摆系统的总动能为: V=θθcos x ml ml 3 2)(212 22。。。+++x m M (3) 一级倒立摆系统的势能为: G=θcos mgl θ (4) 一级倒立摆系统的耗散能为: D= 2 2 1 。x f c (5) 一级倒立摆系统的拉格朗日方程为: 0=??+??-??θ θθD L L dt d (6) F X D X L X L dt d =??+??-?? (7) 将(1)到(5)式带入(6)式得到如下: 0sin sin sin cos m 3 422=-+。。。。。。 ——θθθθθθθθmgl x ml x ml x l ml (8) (M+m )F x ml ml x f c =+ +θθθθsin cos 2。 。 — (9) 一级倒立摆系统有四个变量:。 。,,, θθx x 根据(7)式中的方程写出系统的状态方程,并在平衡点进行线性化处理,得 到系统的状态空间模型如下: =。X ? ?????0 000 0189.000748 .01-- 579.20 386.00 ??????0100+x ? ???? ? ??? ???-8173.007467 .00

一级倒立摆的模糊控制

一级倒立摆的模糊控制 一、 立题背景 倒立摆( Inverted Pendulum)是处于倒置不稳定状态、通过人为控制使其处于动态平衡的一种摆。它是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合的非最小相位系统,是重心在上、支点在下控制问题的抽象。 倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题倒立摆系统通常用来检验控制策略的效果,是控制理论研究中较为理想的实验装置。又因其与火箭飞行器及单足机器人有很大的相似之处,引起国内外学者的广泛关注。控制过程中的许多关键问题,如镇定问题、非线性问题、鲁棒性问题、随动问题以及跟踪问题等都可以以倒立摆为例加以研究。 本文围绕一级倒立摆系统,采用模糊控制理论研究了倒立摆的控制系统仿真问题。仿真 的成功证明了本文设计的模糊控制器有很好的稳定性。 二、 倒立摆的数学模型 质量为m 的小球固结于长度为L 的细杆(可忽略杆的质量)上,细杆又和质量为M 的小车铰接相连。由经验知:通过控制施加在小车上的力F (包括大小和方向)能够使细杆处于θ=0的稳定倒立状态。在忽略其他零件的质量以及各种摩擦和阻尼的条件下,推导小车倒立摆系统的数学模型。倒立摆模型如图2-1所示。 图 2-2 单机倒立摆模型图 小车由电机通过同步带驱动在滑杆上来回运动,保持摆杆平衡。电机编码器和角编码器向运动卡反馈小车和摆杆位置(线位移和角位移)。导轨截面成H 型,小车在轨道上可以自由滑动,其在轨道上的有效运行长度为1米。轨道两端装有电气限位开关,以防止因意外失控而撞坏机构。 以摆角θ、角速度θ’、小车位移x 、加速度x ’为系统状态变量,Y 为输出,F 为输入 以摆角θ、角速度θ’、小车位移x 、加速度x ’为系统状态变量,Y 为输出,F 为输入。 即X=????????????4321x x x x =?? ? ??? ??????x'x 'θθ Y=??????x θ=??? ???31x x

简易模糊控制器设计及MATLAB仿真

简易模糊控制器的设计及仿真 摘要:模糊控制(Fuzzy Control )是以模糊集理论、模糊语言和模糊逻辑推理为基础的一种控制方法,它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程。本文利用MATLAB/SIMULINK 与FUZZY TOOLBOX 对给定的二阶动态系统,确定模糊控制器的结构,输入和输出语言变量、语言值及隶属函数,模糊控制规则,比较其与常规控制器的控制效果,用MATLAB 实现模糊控制的仿真。 关键词:模糊控制 参数整定 MATLAB 仿真 二阶动态系统模型: ()()1140130120 ++s s 采用simulink 图库,实现常规PID 和模糊自整定PID 。 一.确定模糊控制器结构 模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器。在MATLAB 的命令窗口中键入fuzzy 即可打开FIS 编辑器,其界面如下图所示。此时编辑器里面还没有FIS 系统,其文件名为Untitled ,且被默认为Mandani 型系统。默认的有一个输入,一个输出,还有中间的规则处理器。在FIS 编辑器界面上需要做一下几步工作。 首先,模糊自整定PID 为2输入3输出的模糊控制器,因此需要增加一个输入两个输出,进行的操作为:选择Edit 菜单下的Add Variable/Input 菜单项。

如下图。 其次,给输入输出变量命名。单击各个输入和输出框,在Current Variable 选项区域的Name文本框中修改变量名。如下图 最后,保存系统。单击File菜单,选择Export下的To Disk项。这里将创建的系统命名为PID_auot.fi。 二.定义输入、输出模糊集及隶属函数

单级倒立摆系统的分析与设计

单级倒立摆系统的分析与设计 小组成员:武锦张东瀛杨姣 李邦志胡友辉 一.倒立摆系统简介 倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性,因而对其研究具有重大的理论和实践意义。由于倒立摆系统本身所具有的上述特点,使它成为人们深入学习、研究和证实各种控制理论有效性的实验系统。 单级倒立摆系统(Simple Inverted Pendulum System)是一种广泛应用的物理模型,其结构和飞机着陆、火箭飞行及机器人的关节运动等有很多相似之处,因而对倒立摆系统平衡的控制方法在航空及机器人等领域有着广泛的用途,倒立摆控制理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器入技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。 倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。最初研究开始于二十世纪50年代,单级倒立摆可以看作是一个火箭模型,相比之下二阶倒立摆就复杂得多。1972年,Sturgen等采用线性模拟电路实现了对二级倒立摆的控制。目前,一级倒立摆控制的仿真或实物系统已广泛用于教学。 二.系统建模 1.单级倒立摆系统的物理模型 图1:单级倒立摆系统的物理模型

单级倒立摆系统是如下的物理模型:在惯性参考系下的光滑水平平面上,放置一个可以在平行于纸面方向左右自由移动的小车(cart ),一根刚性的摆杆(pendulum leg )通过其末端的一个不计摩擦的固定连接点(flex Joint )与小车相连构成一个倒立摆。倒立摆和小车共同构成了单级倒立摆系统。倒立摆可以在平行于纸面180°的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的摄动下摆杆仍然保持竖直向上状态。在小车静止的状态下,由于受到重力的作用,倒立摆的稳定性在摆杆受到微小的摄动时就会发生不可逆转的破坏而使倒立摆无法复位,这时必须使小车在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。依照惯性参考系下的牛顿力学原理,作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系,单级倒立摆系统是一个非线性系统。 各个参数的物理意义为: M — 小车的质量 m — 倒立摆的质量 F — 作用到小车上的水平驱动力 L — 倒立摆的长度 x — 小车的位置 θ— 某一时刻摆角 整个倒立摆系统就受到重力、驱动力和摩擦阻力的三个外力的共同作用。这里,驱动力F 是由连接小车的传动装置提供,控制倒立摆的稳定实际上就是依靠控制驱动力F 使小车在水平面上做与倒立摆运动相关的特定运动。为了简化模型以利于仿真,假设小车与导轨以及摆杆与小车铰链之间的摩擦均为0。 2.单级倒立摆系统的数学模型 令小车的水平位移为x ,运动速度为v ,加速度a 。 小车的动能为212kc E Mx =,选择特定的参考平面使得小车的势能为0。 摆杆的长度为L ,某时刻摆角为θ,在摆杆上与固定连接点距离为q (0

一级直线倒立摆系统模糊控制器设计---实验指导书

一级直线倒立摆系统模糊控制器设计 实验指导书

目录 1 实验要求................................................................................. . (3) 1.1 实验准备................................................................................. . (3) 1.2 评分规则................................................................................. . (3) 1.3 实验报告容................................................................................. .. (3) 1.4 安全注意事项................................................................................. .. (3) 2 倒立摆实验平台介绍................................................................................. .. (4) 2.1 硬件组成................................................................................. . (4) 2.2 软件结构................................................................................. . (4) 3 倒立摆数学建模(预习 容) .............................................................................. (6) 4 模糊控制实验................................................................................. (8) 4.1 模糊控制器设计(预习容)............................................................................... (8) 4.2 模糊控制器仿真................................................................................. (12) 4.3 模糊控制器实时控制实验................................................................................. .. (12) 5 附录:控制理论中常用的MATLAB 函

单级倒立摆控制系统设计及MATLAB中仿真

单级倒立摆控制系统设计及simulink仿真 摘要:倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强藕合和快速运动的自然不稳定系统。因此倒立摆在研究双足机器人直立行走、火箭发射过程的姿态调整和直升机飞行控制领域中有重要的现实意义,相关的科研成果己经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。单级倒立摆系统是一种广泛应用的物理模型。控制单级倒立摆载体的运动是保证倒立摆稳定性的关键因素。为了避免常用的物理反馈分析方法和运动轨迹摄像制导控制方法的某些缺点,本文从力学的角度提出对倒立摆的运动进行纯角度制导分析,完成了对倒立摆载体的角度制导运动微分方程的数学建模,设计了该模型的模糊控制系统,并利用Matlab\simulink软件工具对倒立摆的运动进行了计算机仿真。实验表明,这种模糊控制配合代数解析方法的运算速度和计算机仿真的效果均较物理反馈制导控制方法有了一定的提高。该方法可以有效地改善单级倒立摆控制系统的性能。本论文的主要工作是研究了直线一级倒立摆系统的模糊控制问题,用Matlab和Simulink对一级倒立摆模糊控制系统进行了仿真,验证了设计的可行性。本文论述了一级倒立摆数学建模方法,推导出他们的微分方程,以及线性化后的状态方程。讨论了单级倒立摆系统的模糊控制方法和操作步骤。用Simulink实现了单级倒立摆模糊控制仿真系统,分别给出一级倒立摆系统控制量的响应曲线。通过仿真说明控制器的有效性和实现性。关键词:单级倒立摆;仿真;模糊控制;运动;建模;Simulink Design of single stage inverted pendulum control system and Simulink simulation Abstract: inverted pendulum system is unstable system with a typical multi variable, nonlinear, strong coupled and fast motion. So the research on the attitude adjustment of the double foot robot and the attitude adjustment of the rocket launching process and the helicopter flight control field have practical,significance. The related scientific research achievements have been applied to many fields such as aerospace science and robotics. Single inverted pendulum system is a widely used physical model. Controlling the movement of the single inverted pendulum is the key factor to guarantee the stability of the inverted pendulum. In order to avoid some shortings of mon physical feedback analysis method and motion trajectory camera guidance control method, this paper presents a pure angle guidance analysis on the motion of the inverted pendulum, and designs the

单级倒立摆稳定控制实验

单级倒立摆稳定控制实验 一.实验目的 1.了解单级倒立摆的原理与数学模型的建立; 2.掌握LQR控制器的设计方法; 3.掌握基于LQR控制器的单级倒立摆稳定控制系统的仿真方法。 二.实验内容 图1 一级倒立摆原理图 一级倒立摆系统的原理框图如上所示。系统包括计算机、运动控制卡、伺服机构、倒立摆本体和光电码盘几大部分,组成了一个闭环系统。光电码盘1将连杆的角度、角速度信号反馈给伺服驱动器和运动控制卡,摆杆的角度、角速度信号由光电码盘2反馈回控制卡。计算机从运动控制卡中读取实时数据,确定控制决策,并由运动控制卡来实现该控制决策,产生相应的控制量,驱动电机转动,带动连杆运动,保持摆杆的平衡。 在忽略了空气阻力,各种摩擦之后,可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统,如下图2所示。 图2 直线一级倒立摆系 统

其中: M 小车质量 m 摆杆质量 b 小车摩擦系数 l 摆杆转动轴心到杆质心的长度 I 摆杆惯量 F 加在小车上的力 x 小车位置 φ 摆杆与垂直向上方向的夹角 θ 摆杆与垂直向下方向的夹角(考虑到摆杆初始位置为竖直向下) 下图是系统中小车和摆杆的受力分析图。其中,N 和P 为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。 注意:在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已经完全确定,因而矢量方向定义如图所示,图示方向为矢量正方向。 图3 (a )小车隔离受力图; (b ) 摆杆隔离受力图 分析小车水平方向所受的合力,可以得到以下方程: Mx F bx N =--&&& (1) 由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式: ()2 2sin d N m x l dt θ=+ (2) 即:2cos sin N mx ml ml θθθθ=+-&&&&&

一级直线倒立摆系统模糊控制器设计---实验指导书之令狐采学创编

一级直线倒立摆系统 令狐采学 模糊控制器设计 实验指导书 目录 1 实验要求....................................................................................................................... .. (3) 1.1 实验准备....................................................................................................................... .. (3) 1.2 评分规则....................................................................................................................... .. (3) 1.3 实验报告内容....................................................................................................................... (3) 1.4安全注意事项....................................................................................................................... (3)

洗衣机模糊控制matlab仿真

洗衣机模糊控制仿真 1.模糊控制背景 美国教授查徳(L.A.Zandeh)在1965年首先提出模糊集合的概念,由此打开了模糊数学及其应用的大门。 1974年英国教授马丹尼(E.H.Mamdani)首先将模糊集合理论应用于加热器的控制,创造了模糊控制的基本框架。 1980年,Sugeno开创了日本的首次模糊应用——控制一家富士电子水净化厂。1983年他又开始研究模糊机器人。 随着模糊控制技术的不断发展,模糊控制逐渐被应用到日用家电产品的控制,例如电饭锅﹑照相机﹑吸尘器﹑洗衣机等。 2.仿真目的 本次仿真的主要目的是设计一个比较合理的洗衣机模糊控制器,它能够根据被洗涤衣物的污泥多少和油脂多少,综合得到洗涤时间,从而达到最佳的洗涤效果。 3.仿真方法 本次仿真借助matlab中集成的模糊控制工具箱,使用图形界面进行模糊控制器的设计。最后随意给定几组输入,得到输出并作出简单分析。4.模糊控制器的设计 4.1模糊控制器理论设计方法 ①选择合适的模糊控制器类型; ②确定输入输出变量的实际论域; ③确定e,e?,u ?的模糊集个数及各模糊集的隶属度函数; ④输出隶属度函数选为单点,可使解模糊简单; ⑤设计模糊控制规则集; ⑥选择模糊推理方法; ⑦解模糊方法。

4.2实际设计过程 ①模糊控制器类型:选用两输入单输出模糊控制器,控制器输入为衣物的污泥和油脂,输出为洗涤时间。 ②确定输入输出变量的实际论域:输入为Mud(污泥)和Grease (油脂),设置Range=[0 100](输入变化范围为[0,100]);输出为Time(洗涤时间),Range=[0 60](输出变化范围为[0,60])。 对应matlab 中模糊控制模块: ③确定模糊集个数及各模糊集的隶属度函数:将污泥分为3个模糊集:SD (污泥少)MD (污泥中)LD(污泥多);將油脂分为三个模糊集:NG (油脂少)MG (油脂中)LG (油脂多);将洗涤时间非为5个模糊集:VS (很短)S (短)M (中等)L (长)VL (很长)。 输入﹑输出隶属度函数都定为三角形隶属函数。结合④输出隶属度函数选为单点,可使解模糊简单;定义污泥隶属函数如下 50)50()(x x SD -=μ 0≤x ≤50 50 x 0≤x ≤50 =Mad μ =)(x MD μ 50 ) 100(x - 50<x ≤100 50)50()(-=x x LD μ 50<x ≤100 对应matlab 中隶属度函数仿真图如下:

一阶倒立摆控制系统

一阶直线倒立摆系统 姓名: 班级: 学号:

目录 摘要 (3) 第一部分单阶倒立摆系统建模 (4) (一)对象模型 (4) (二)电动机、驱动器及机械传动装置的模型 (6) 第二部分单阶倒立摆系统分析 (7) 第三部分单阶倒立摆系统控制 (11) (一)内环控制器的设计 (11) (二)外环控制器的设计 (14) 第四部分单阶倒立摆系统仿真结果 (16) 系统的simulink仿真 (16)

摘要: 该问题源自对于娱乐型”独轮自行车机器人”的控制,实验中对该系统进行系统仿真,通过对该实物模型的理论分析与实物仿真实验研究,有助于实现对独轮自行车机器人的有效控制。 控制理论中把此问题归结为“一阶直线倒立摆控制问题”。另外,诸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、卫星飞行中的姿态控制、海上钻井平台的稳定控制、飞机安全着陆控制等均涉及到倒立摆的控制问题。 实验中通过检测小车位置与摆杆的摆动角,来适当控制驱动电动机拖动力的大小,控制器由一台工业控制计算机(IPC)完成。实验将借助于“Simulink封装技术——子系统”,在模型验证的基础上,采用双闭环PID控制方案,实现倒立摆位置伺服控制的数字仿真实验。实验过程涉及对系统的建模、对系统的分析以及对系统的控制等步骤,最终得出实验结果。仿真实验结果不仅证明了PID方案对系统平衡控制的有效性,同时也展示了它们的控制品质和特性。

第一部分 单阶倒立摆系统建模 (一) 对象模型 由于此问题为”单一刚性铰链、两自由度动力学问题”,因此,依据经典力学的牛顿定律即可满足要求。 如图1.1所示,设小车的质量为0m ,倒立摆均匀杆的质量为m ,摆长为2l ,摆的偏角为θ,小车的位移为x ,作用在小车上的水平方向上的力为F ,1O 为摆杆的质心。 图1.1 一阶倒立摆的物理模型 根据刚体绕定轴转动的动力学微分方程,转动惯量与角加速度乘积等于作用于刚体主动力对该轴力矩的代数和,则 1)摆杆绕其重心的转动方程为 sin cos y x l F J F l θθθ=- (1-1) 2)摆杆重心的水平运动可描述为 2 2(sin )x d F m x l dt θ=+ (1-2) 3)摆杆重心在垂直方向上的运动可描述为 2 2(cos )y d F mg m l dt θ-= (1-3) 4)小车水平方向运动可描述为 202x d x F F m dt -= (1-4)

选取一个模糊控制的实例讲解

选取一个模糊控制的实例讲解,有文章,有仿真,有详细的推导过程。 一.实验题目:基于模糊控制系统的单级倒立摆 二.实验目的与要求: 倒立摆是联结在小车上的杆,通过小车的运动能保持竖立不倒的一种装置,它是一个典型的非线性、快速、多变量和自然不稳定系统,但是我们可以通过对它施加一定的控制使其稳定。对它的研究在理论上和方法上都有其重要意义。倒立摆的研究不仅要追求增加摆的级数,而且更重要的是如何发展现有的控制方法。同时, 它和火箭的姿态控制以及步行机器人的稳定控制有很多相似之处,由此研究产生的理论和方法对一般工业过程也有广泛用途。 本文研究了倒立摆的控制机理,用Lagrange 方法推导了一级倒立摆的数学模型,这为研究多级和其它类型的倒立摆甚至更高层次的控制策略奠定了一个良好的基础。对系统进行了稳定性、可控性分析,得出倒立摆系统是一个开环不稳定但可控的系统的结论。 本文主要研究用极点配置、最优控制和模糊控制方法对倒立摆进行稳定控制。最优控制方法是基于状态反馈,但能实现输出指标最优的一种控制方法,方法和参数调节较简单,有着广泛的应用。模糊控制有不依赖于数学模型、适用于非线性系统等优点,所以本文尝试了用模糊控制对倒立摆进行控制,以将先进的控制方法用于实际中。 同时,对倒立摆系统的研究也将遵循从建模到仿真到实控,软硬件结合的系统的控制流程。在这过程中,借助数学工具Matlab7及仿真软件Simulink,作了大量的仿真研究工作,仿真结果表明系统能跟踪输入,并具有较好的抗干扰性。最后对实验室的倒立摆装置进行了软、硬件的调试,获得了较好的控制效果。 三.实验步骤: 1.一级倒立摆系统模型的建立 在忽略了空气阻力、各种摩擦之后(这也是为了保证Lagrange 方程的建立),可 将一级倒立摆系统抽象为由小车和匀质杆组成的系统,本系统设定如下: 小车质量M;摆杆质量m,长为l;小车在x 轴上移动;摆与竖直方向夹角为θ,规定正方向如图所示;加在小车x 轴上的力为F;

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