最优化方法课程设计实验报告_倒立摆

倒立摆实验报告：建筑结构抗震研究一、引言随着我国经济的快速发展，高层建筑日益增多，建筑结构的抗震性能成为社会关注的焦点。

为了提高建筑物的抗震能力，保障人民生命财产安全，我国政府及相关部门对建筑结构抗震研究给予了高度重视。

本实验报告针对倒立摆实验在建筑结构抗震研究中的应用，分析了倒立摆实验的基本原理、实验方法、实验结果及其在建筑结构抗震研究中的应用前景。

二、倒立摆实验原理倒立摆实验是一种研究建筑结构抗震性能的有效方法。

它利用倒立摆的稳定性原理，模拟地震作用下的建筑物振动响应，从而评估建筑结构的抗震能力。

倒立摆实验系统由摆杆、质量块、基础和支撑装置组成。

当摆杆在一定角度范围内摆动时，质量块产生的惯性力使摆杆保持倒立状态。

通过调整摆杆长度、质量块质量和基础刚度等参数，可以模拟不同建筑结构的抗震性能。

三、实验方法本实验采用数值模拟与实验相结合的方法，研究倒立摆实验在建筑结构抗震研究中的应用。

首先，建立倒立摆实验的数值模型，分析摆杆长度、质量块质量和基础刚度等参数对建筑结构抗震性能的影响。

然后，设计并实施倒立摆实验，验证数值模型的准确性。

最后，根据实验结果，提出提高建筑结构抗震能力的措施。

四、实验结果与分析1.数值模拟结果通过数值模拟，得到了不同参数下建筑结构的抗震性能。

结果表明，摆杆长度、质量块质量和基础刚度对建筑结构的抗震性能有显著影响。

摆杆长度越长，建筑结构的抗震能力越强；质量块质量越大，建筑结构的抗震能力越弱；基础刚度越大，建筑结构的抗震能力越强。

2.实验结果根据实验方案，进行了倒立摆实验。

实验结果表明，倒立摆实验可以有效地模拟建筑结构在地震作用下的振动响应。

通过对比实验结果与数值模拟结果，验证了数值模型的准确性。

同时，实验结果也表明，倒立摆实验可以评估建筑结构的抗震能力，为建筑结构设计提供依据。

五、建筑结构抗震研究展望倒立摆实验作为一种有效的建筑结构抗震研究方法，具有广泛的应用前景。

未来研究方向主要包括：1.进一步优化倒立摆实验系统，提高实验精度和可靠性。

倒立摆实验报告根轨迹摘要：本实验通过倒立摆实验，研究了倒立摆系统的根轨迹特性。

实验中使用了倒立摆系统，通过对系统阻尼比和控制增益的调节，观察了根轨迹的变化情况。

实验结果表明，当阻尼比和控制增益适当选择时，系统表现出稳定性和良好的控制性能。

引言倒立摆（Inverted Pendulum）是一种非线性控制系统，由垂直放置的杆和单个质点组成。

倒立摆系统在实际应用中具有广泛的应用前景，例如在无人平衡车、自行车倒立控制等领域。

倒立摆系统的稳定性和控制性能是非常重要的研究问题。

而根轨迹法是一种分析控制系统稳定性和性能的常用方法。

本实验旨在通过根轨迹的分析，研究倒立摆系统的稳定性和控制性能。

实验流程和方法本实验使用了一个由伺服电机、倒立摆、放大器和数据采集系统组成的倒立摆平台。

首先，调节倒立摆系统保持平衡的位置，通过控制器控制倒立摆的角度。

随后，分别调节系统的阻尼比和控制增益，观察根轨迹的变化情况。

实验中使用示波器记录了系统的输出响应，并利用MATLAB进行数据分析和根轨迹的绘制。

实验结果与分析根据实验记录的数据和MATLAB分析，我们得到了不同阻尼比和控制增益下的根轨迹曲线。

以下是实验中的一些典型结果和分析。

1.高阻尼情况下的根轨迹当系统的阻尼比较高时，根轨迹近似于一个稳定的圆。

这是因为高阻尼抑制了系统的振荡，使系统的相对稳定，并且响应速度较快。

然而，高阻尼比可能会导致系统的超调响应过大，因此在选择阻尼比时需要综合考虑。

2.低阻尼情况下的根轨迹当系统的阻尼比较低时，根轨迹呈现出振荡的特点。

这是由于低阻尼下系统的振荡现象不易被抑制。

可以观察到，随着阻尼比的减小，根轨迹呈现出越来越多的振荡周期，并且在左右对称分布。

低阻尼情况下，系统可能会出现很大的超调和震荡，因此需要适当增加控制增益以提高控制性能。

3.不同控制增益下的根轨迹图形显示，控制增益的选择对根轨迹起着重要作用。

当增益较小时，系统表现出较慢的响应速度，并且具有较大的超调。

专 业 实 验 报 告 实验名称倒立摆实验 实验时间 姓名 学号一、实验内容1、直线一级倒立摆建模1.1 受力分析针对直线一级倒立摆，在实际的模型建立过程中，可忽略空气流动阻力和其它次要的摩擦阻力，则倒立摆系统抽象成小车和匀质刚性杆组成的系统，如图所示。

图1 小车系统各参数定义：M ：小车质量m ：摆杆质量β：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Ф：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摆杆受力和力矩分析图2 摆杆系统摆杆水平方向受力为：H摆杆竖直方向受力为：V由摆杆力矩平衡得方程：cos sin Hl Vl I φφθθπφθφ⎧-=⎪=-⎨⎪=-⎩&&&&&& （1） 代入V 、H ，得到摆杆运动方程。

当0φ→时，cos 1θ=，sin φθ=-，线性化运动方程：1.2 传递函数模型以小车加速度为输入、摆杆角度为输出，令，进行拉普拉斯变换得到传递函数：22()()mlG sml I s mgl=+-（2）倒立摆系统参数值：M=1.096 % 小车质量，kgm=0.109 % 摆杆质量，kg0.1β=% 小车摩擦系数g=9.8 % 重力加速度，l=0.25 % 摆杆转动轴心到杆质心的长度，mI= 0.0034 % 摆杆转动惯量，以小车加速度为输入、摆杆角度为输出时，倒立摆系统的传递函数模型为：20.02725()0.01021250.26705G ss=-（3）1.3 倒立摆系统状态空间模型以小车加速度为输入，摆杆角度、小车位移为输出，选取状态变量：(,,,)x x xθθ=&&（4）由2()I ml mgl mlxθθ+-=&&&&得出状态空间模型01001000000013300044xxxxxgglμθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥'==+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦&&&&&&&&（5）μθθθ'⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=11&&xxxy（6）由倒立摆的参数计算出其状态空间模型表达式：（7）111()()n n n n f s sI A BK s a s a s a --=--=++++L （11）设期望特征根为***12,,,n λλλL ，则期望特征多项式为：***1111()()()n n n n n f x s s s b s b s b λλ--=--=++++L L （12）由*()()f s f s =求得矩阵K 。

(完整版)倒立摆实验报告-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1机械综合设计与创新实验（实验项目一）二自由度平面机械臂三级倒立摆班级：姓名：学号：指导教师：时间：综述倒立摆装置是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有结合，被公认为自动控制理论中的典型实验设备，也是控制理论教学和科研中不可多得的典型物理模型。

倒立摆的典型性在于：作为实验装置，它本身具有成本低廉、结构简单、便于模拟、形象直观的特点；作为被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的复杂被控系统，可以有效地反映出控制中的许多问题；作为检测模型，该系统的特点与机器人、飞行器、起重机稳钩装置等的控制有很大的相似性[1]。

倒立摆系统深刻揭示了自然界一种基本规律，即一个自然不稳定的被控对象，运用控制手段可使之具有良好的稳定性。

通过对倒立摆系统的研究，不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论所涉及的三个基础学科，即力学、数学和电学（含计算机）有机的结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用。

在多种控制理论与方法的研究和应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的试验问题，将其理论和方法得到有效的经验，倒立摆为此提供一个从控制理论通往实践的桥梁[2]。

因此对倒立摆的研究具有重要的工程背景和实际意义。

从驱动方式上看，倒立摆模型大致可分为直线倒立摆模型、旋转倒立摆模型和平面倒立摆模型。

对于每种模型，从摆杆的级数上又可细分为一级倒立摆、二级倒立摆和多级倒立摆[3]。

目前，国内针对倒立摆的研究主要集中在运用倒立摆系统进行控制方法的研究与验证，特别是针对利用倒立摆系统进行针对于非线性系统的控制方法及理论的研究。

而倒立摆系统与工程实践的结合主要体现在欠驱动机构控制方法的验证之中。

此外，倒立摆作为一个典型的非线性动力系统，也被用于研究各类非线性动力学问题。

在倒立摆系统中成功运用的控制方法主要有线性控制方法，预测控制方法及智能控制方法三大类。

倒立摆系统的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解倒立摆系统的基本概念，掌握其物理原理；2. 学生能够描述倒立摆系统的动态特性，了解系统稳定性与不稳定性的影响因素；3. 学生能够运用数学方法分析倒立摆系统的运动方程，并求解平衡条件。

技能目标：1. 学生能够运用物理知识建立倒立摆系统的数学模型；2. 学生能够通过实验观察和分析倒立摆系统的运动状态，并提出改进措施；3. 学生能够利用控制理论知识，设计简单的倒立摆稳定控制系统。

情感态度价值观目标：1. 学生对物理现象产生好奇心，培养探究科学问题的兴趣；2. 学生在小组合作中，学会沟通、协作，培养团队精神；3. 学生通过解决实际问题，体验科学研究的乐趣，增强自信心。

课程性质：本课程为物理学科选修课程，结合实际生活中的倒立摆现象，培养学生运用物理知识解决实际问题的能力。

学生特点：本课程面向高中二年级学生，他们已具备一定的物理知识和实验技能，具有较强的逻辑思维能力和动手操作能力。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，强调学生的主体地位，鼓励学生主动探究、合作学习，提高解决问题的能力。

通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际问题的解决，培养创新精神和实践能力。

二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 倒立摆系统基本概念：介绍倒立摆的定义、分类及在实际中的应用，如机器人、玩具等。

2. 倒立摆系统的物理原理：分析倒立摆系统的受力情况，探讨重力、摩擦力等对系统稳定性的影响。

3. 倒立摆系统的数学建模：引导学生运用牛顿运动定律、拉格朗日方程等方法建立倒立摆系统的数学模型。

4. 倒立摆系统的动态特性：研究系统在不同参数下的运动状态，分析稳定性与不稳定性的条件。

5. 倒立摆系统的控制方法：介绍PID控制、状态反馈控制等基本控制方法，并探讨其在倒立摆系统中的应用。

6. 实践操作：组织学生进行倒立摆实验，观察系统运动状态，分析实验结果，并提出改进措施。

倒立摆实验设计报告组长：熊圣（学号5100309623）组员：黄旭（学号5100309666）杜文曾（学号5100309660）周航（学号5100309167）一、课程设计目的针对具体的设计对象进行数学建模，然后运用经典控制理论知识设计控制器，并使用Matlab进行仿真分析。

通过本次课程设计，建立理论知识和实体对象之间的联系，加深和巩固所学的控制理论知识，增加工程实践能力。

二、控制对象分析1、倒立摆系统简介支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装置的叫倒立摆。

相反，支点在上而重心在下的则称为顺摆。

在日常生活中，摆以不同的形式存在着。

由倒立摆和其它元件组成的元件称为倒立摆系统。

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，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。

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。

此为倒立摆控制器的设计目标。

倒立摆系统的输入为小车的位移（即位置）和摆杆的倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车和摆杆的实际位置信号，和期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。

直流电机通过皮带带动小车运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。

作用力u 平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。

当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置（竖直向下）。

为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。

2、倒立摆数学模型的建立理想条件下的动力学分析在忽略了空气流动以及各种摩擦力之后，可将倒立摆系统抽倒立摆模型vFMvNPbx’x X’’mg NPθI θ’’摆杆和小车受力分析各物理量的表示： 3、数学模型的推导 小车水平方向的合力：M ''x =F - b 'x - N摆杆水平方向的合力：N=m 22dtd(x+ sin θ) 代入得，水平方向运动方程：(M+m)''x + b 'x + m l ''θcos θ- m l 2')(θsin θ=F 摆杆垂直方向的合力： P –mg=m 22dtd (lcos θ)即：P –mg =- m l ''θsin θ- m l 2')(θcos θ 力矩平衡方程：-P lsin θ- Nl cos θ=I ''θ注意：此方程中力矩的方向，由于θφθφφπθsin sin ,cos cos ,-=-=+=，故等式前面有负号。

倒立摆系统__实验设计报告一、实验目的本实验旨在通过对倒立摆系统的研究与实验，探讨倒立摆的运动规律，并分析其特点和影响因素。

二、实验原理与方法1.实验原理倒立摆是指在重力作用下，轴心静止在上方的直立摆。

倒立摆具有自然的稳定性，能够保持在平衡位置附近，且对微小干扰具有一定的抵抗能力。

其本质是控制系统的一个重要研究对象，在自动控制、机器人控制等领域有广泛的应用。

2.实验方法（1）搭建倒立摆系统：倒立摆由摆杆、轴心和电机组成，摆杆在轴心上下运动，电机用于控制倒立摆的运动。

（2）调节电机控制参数：根据实验需要，调节电机的参数，如转速、力矩等，控制倒立摆的运动状态。

（3）记录数据：通过相机或传感器等手段，记录倒立摆的位置、速度、加速度等相关数据，用于后续分析。

（4）分析数据：根据记录的数据，分析倒立摆的运动规律、特点和影响因素，在此基础上进行讨论和总结。

三、实验步骤1.搭建倒立摆系统：根据实验需要，选取合适的材料和设备，搭建倒立摆系统。

2.调节电机参数：根据实验目的，调节电机的转速、力矩、控制信号等参数，使倒立摆能够在一定范围内保持平衡。

3.记录数据：利用相机或传感器等设备，记录倒立摆的位置、速度、加速度等相关数据。

4.分析数据：通过对记录的数据进行分析，研究倒立摆的运动规律和特点，并探讨影响因素。

5.总结讨论：根据实验结果，进行总结和讨论，对倒立摆的运动规律、特点和影响因素进行深入理解和探究。

四、实验设备与器材1.倒立摆系统搭建材料：包括摆杆、轴心、电机等。

2.记录数据设备：相机、传感器等。

五、实验结果与分析通过实验记录的数据，分析倒立摆的运动规律和特点，找出影响因素，并进行讨论和总结。

六、实验结论根据实验结果和分析，得出倒立摆的运动规律和特点，并总结影响因素。

倒立摆具有一定的稳定性和抵抗干扰的能力，在控制系统中具有重要的应用价值。

七、实验感想通过参与倒立摆系统的搭建和实验，深入了解了倒立摆的运动规律和特点，对控制系统有了更深刻的理解。

倒立摆系统实验设计报告实验设计报告：倒立摆系统摘要：本实验旨在研究倒立摆系统的控制问题，通过进行动力学建模、控制器设计和实验验证，探究不同控制策略对倒立摆系统的稳定性和控制性能的影响。

实验使用MATLAB/Simulink软件进行系统建模和控制器设计，并通过实际硬件平台进行实验验证。

实验结果表明，PID控制器在稳定性和控制精度方面表现出较好的性能。

本实验为进一步研究倒立摆系统控制提供了参考。

引言：倒立摆系统是控制理论中一个经典且具有挑战性的问题，具有广泛的应用背景。

倒立摆系统的研究对于制造可倒立行进的机器人、电梯调节、飞行器控制等领域具有重要意义。

本实验旨在通过对倒立摆系统进行动力学建模和控制器设计，研究不同控制策略对其稳定性和控制性能的影响。

方法与材料：1.实验平台：本实验使用一台倒立摆硬件平台，包括一个竖直支架、一个带电机和减速器的转动摆杆以及一个测量角度的传感器。

2. 软件工具：本实验使用MATLAB/Simulink进行倒立摆系统的建模和控制器设计。

并使用Simulink中的实时仿真模块进行实验验证。

实验步骤：1. 动力学建模：根据倒立摆系统的动力学方程，使用MATLAB/Simulink建立系统的状态空间模型。

2.控制器设计：设计不同控制策略的控制器，包括PID控制器、模糊控制器等。

3. 系统仿真：在Simulink中进行系统仿真，分析不同控制策略下的系统响应情况，比较其稳定性和控制性能。

5.数据分析：通过对实验数据进行分析，比较不同控制策略的实际控制效果。

结果与讨论：经过对倒立摆系统进行动力学建模和控制器设计，我们设计了PID控制器和模糊控制器两种控制策略，并在Simulink中进行了系统仿真。

仿真结果显示，PID控制器能够有效地控制倒立摆系统，在较短的时间内将摆杆恢复到竖直位置，并保持稳定。

而模糊控制器的控制性能相对较差，系统响应时间较长且存在一定的震荡。

实验验证结果表明，PID控制器在实际硬件平台上也能够较好地控制倒立摆系统。

倒立摆实验报告倒立摆实验报告引言：倒立摆是一种经典的力学实验，通过研究倒立摆的运动规律，可以深入理解物理学中的一些基本概念和原理。

本实验旨在通过搭建倒立摆模型并观察其运动过程，探究摆动周期与摆长、质量等因素之间的关系，并分析影响倒立摆稳定性的因素。

一、实验器材和原理实验器材：1. 木质支架2. 杆状物体（作为摆杆）3. 重物（作为摆锤）4. 弹簧5. 电子计时器实验原理：倒立摆实验基于牛顿第二定律和能量守恒定律。

当摆杆倾斜一定角度时，重力将产生一个力矩，使摆杆产生转动。

而弹簧的作用则是提供一个恢复力，使摆杆回到竖直位置。

通过调整摆杆长度、质量和弹簧的初始拉伸量，可以控制倒立摆的运动。

二、实验步骤1. 搭建实验装置：将木质支架固定在平稳的桌面上，将摆杆固定在支架上，并在摆杆的一端挂上重物。

2. 调整初始条件：调整摆杆的长度和重物的位置，使摆杆处于平衡位置。

同时，将弹簧的一端固定在摆杆上。

3. 测量实验数据：使用电子计时器记录倒立摆的摆动周期，重复多次测量，取平均值。

4. 改变实验参数：分别改变摆杆的长度、重物的质量和弹簧的初始拉伸量，再次进行测量和记录。

5. 数据分析：根据实验数据，绘制摆动周期与摆杆长度、重物质量、弹簧初始拉伸量之间的关系曲线，并进行分析和讨论。

三、实验结果与讨论根据实验数据，我们可以得出以下结论：1. 摆动周期与摆杆长度成正比：当摆杆长度增加时，摆动周期也随之增加。

这是因为较长的摆杆需要更多的时间来完成一次摆动。

2. 摆动周期与重物质量无直接关系：在一定范围内，重物质量的增加并不会显著影响摆动周期。

这是因为重物的质量只会影响倒立摆的稳定性，而不会改变其运动速度。

3. 弹簧初始拉伸量对摆动周期的影响：当弹簧的初始拉伸量增加时，摆动周期减小。

这是因为较大的初始拉伸量会提供更大的恢复力，使摆杆回到竖直位置的速度更快。

通过实验结果的分析，我们可以得出以下结论：1. 摆杆长度是影响倒立摆运动周期的主要因素。

倒立摆与自动控制原理实验
一、倒立摆的实验目的
1、了解理论上倒立摆的物理原理；
2、研究倒立摆系统的动态行为；
3、熟悉控制算法应用在倒立摆系统的原理；
4、验证控制算法的实际可行性。

二、倒立摆的实验原理
倒立摆是一个三自由度的双自由度动力系统，也可以看出是一个有重
力的质点的非线性系统，同时受到杆子上关节传动对其施加的力矩作用。

这个系统的控制有着独特的乐趣：由于其非线性特性，以及受到外部环境
影响，通过改变其动力学参数，就可以实现控制目标的设定。

倒立摆系统的动力学是由系统的摆锤和杆子的控制组成的，为了保持
倒立摆系统的稳定，必须使得其杆子位置尽量接近原点，即摆锤与杆子垂
直的位置，在此基础上，通过改变系统的动力学参数来实现特定的控制目标，如让倒立摆系统停止在原点位置，实现倒立摆的输出模式控制；或者
使摆锤在指定的摆锤角度范围内波动，实现倒立摆的非线性控制。

三、倒立摆的实验设计
倒立摆系统实验的初始准备：
1、准备所需的仪器仪表：主要有摆锤、杆子、测力传感器、控制板、控制软件等等；
2、编写实验程序：根据实验目的，根据不同的实验需求。