合肥工业大学自动控制理论综合实验倒立摆实验报告

一阶倒立摆模糊控制实验报告一、实验目的本实验旨在通过模糊控制方法来控制一阶倒立摆系统，实现摆杆保持竖直的稳定控制。

二、实验原理1. 一阶倒立摆系统一阶倒立摆系统由一个垂直的支撑杆和一个在杆顶端垂直摆动的杆组成。

系统的输入为杆的控制力矩，输出为杆的角度。

系统的动力学方程可以表示为：Iθ''(t) + bθ'(t) + mgl sin(θ(t)) = u(t)其中，I为倒立摆的转动惯量，b为摩擦阻尼系数，θ为倒立摆的角度，m为倒立摆的质量，l为杆的长度，g为重力加速度，u为输入的控制力矩。

2. 模糊控制方法模糊控制方法是一种基于模糊逻辑的控制方法，通过将模糊集合与模糊规则相结合，构建模糊控制器来实现对系统的控制。

在本实验中，可以使用模糊控制器来实现倒立摆系统的稳定控制。

三、实验步骤1. 搭建实验平台，包括倒立摆系统、传感器和执行器。

2. 训练模糊控制器a. 定义模糊集合：根据角度误差和角速度误差定义模糊集合，并确定模糊集合的划分方式。

b. 构建模糊规则：根据经验或系统建模，确定模糊规则。

c. 设计模糊控制器：根据模糊集合和模糊规则，设计模糊控制器，包括模糊推理和模糊解模块。

d. 调整模糊控制器参数：根据系统响应实验，根据控制效果调整模糊控制器参数。

3. 实施模糊控制a. 读取传感器数据：获取倒立摆的角度和角速度数据。

b. 计算控制器输出：根据模糊控制器和传感器数据计算控制力矩的输出。

c. 执行控制器输出：将控制力矩作用在倒立摆上。

4. 监测系统响应：实时监测倒立摆的角度和角速度，判断控制效果。

5. 调整模糊控制器参数：根据实验监测结果，调整模糊控制器参数，以提高控制效果。

四、实验结果分析通过实验，我们可以观察到倒立摆系统在模糊控制下的稳定控制效果。

通过实时监测倒立摆的角度和角速度，可以验证控制器的性能。

实验结果可以通过绘制控制力矩输入和倒立摆角度响应曲线，以及观察系统的稳态误差来分析。

目录1 系统设计任务及技术指标 (2)1.1 倒立摆系统设计任务 (2)1.2 技术指标 (2)2 系统的组成和工作原理 (3)2.1 单级倒立摆系统的组成 (3)2.2 工作原理 (3)3 建立数学模型 (4)3.1 单级倒立摆系统物理模型的建立 (4)3.2 传递函数 (6)3.3 状态空间方程 (7)4 系统设计与仿真 (8)4.1 系统静态设计 (8)4.2 系统动态设计 (9)4.3 系统仿真 (10)4.3 分析与结论 (17)5 计算机控制系统设计与实现 (18)5.1 计算机控制系统的设计方案（硬件、软件） (18)5.2 实时控制软件框图 (18)5.3数据采集与模拟量输出 (19)5.4 采样周期的实现 (19)6 系统的组装与调试 (29)6.1 倒立摆实现电路 (29)6.2 反馈极性判别 (29)6.4 系统性能分析与结论 (30)6.4.1系统性能分析 (30)6.4.2 结论 (32)7 获得与体会 (33)8 参考文献 (34)1 系统设计任务及技术指标倒立摆被公认为是现代控制理论中的典型问题,是不可多得的典型物理模型。

是一个多变量、欠驱动、强耦合、高阶次、自然不稳定、非线性的快速系统。

通过对倒立摆系统的研究可以解决控制理论和实践中的诸多问题，如火箭姿态稳定问题、自然不稳定系统的控制问题等。

因此进行倒立摆实验具有重要的意义。

1.1 倒立摆系统设计任务1．了解倒立摆系统的组成和工作原理2．掌握模拟摆的调节方法3．任选一种或多种控制理论设计控制系统（静态设计、动态设计）4．仿真验证动态系统性能5．数字控制系统电路设计6．数字控制器软件设计7．闭环系统实验和调试8．编写实验报告1.2 技术指标1．摆角稳定时间小于3秒2．有一定的抗干扰能力且在5分钟内保持不倒3．小车控制在±45厘米内运动2 系统的组成和工作原理2.1 单级倒立摆系统的组成图1 计算机控制倒立摆系统结构框图电器部分由检测电路、调零电路、计算机、A/D 、D/A 变换器、功率放大器和伺服电机组成。

一阶倒立摆模糊控制实验报告本次实验旨在研究一阶倒立摆系统的模糊控制方法，通过对系统进行建模、设计控制器并进行仿真，最终评估控制效果。

实验过程主要包括系统建模、控制器设计、模糊控制器参数调节和性能评价四个步骤。

首先，我们对一阶倒立摆系统进行建模。

一阶倒立摆系统是一种具有非线性特性的控制系统，主要由电机、倒立摆、支撑杆等组成。

我们需要建立数学模型描述系统的动力学特性，包括倒立角度、倒立角速度、杆角度等状态变量，并考虑控制输入电压对系统的影响。

接着，我们设计模糊控制器。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，适用于非线性系统和模糊系统。

我们根据系统模型，设计模糊控制器的模糊规则、隶属函数等参数，以实现系统的稳定控制。

在设计过程中，我们需要考虑系统的性能指标，如超调量、稳态误差等。

第三步是模糊控制器参数调节。

通过仿真实验，我们可以对模糊控制器的参数进行调节，以使系统的性能达到最佳状态。

调节参数的过程需要考虑系统的稳定性、鲁棒性和响应速度，以达到控制效果的要求。

最后，我们对模糊控制系统进行性能评价。

通过对系统的响应曲线、稳定性、控制精度等指标进行分析，评价模糊控制器的控制效果。

我们可以比较模糊控制系统和传统控制系统的性能，探讨模糊控制在一阶倒立摆系统中的优势和局限性。

总的来说，本次实验通过研究一阶倒立摆系统的模糊控制方法，探讨了模糊控制在非线性系统中的应用。

通过实验，我们对模糊控制的基本原理和设计方法有了更深入的理解，同时也对一阶倒立摆系统的控制特性有了更清晰的认识。

希望通过实验的研究，能够为控制系统的设计和应用提供一定的参考和借鉴。

Googol Technology倒立摆与 自动控制原理实验V2.0固高科技（深圳）有限公司二○○五年©Googol 20051固高科技（深圳）有限公司 GOOGOL TECHNOLOGY (SHENZHEN) LTD版权声明固高科技（深圳）有限公司 保留所有版权固高科技有限公司（以下简称固高科技）具有本产品及其软件的专利权、版 权和其它知识产权。

未经授权，不得直接或间接的复制、制造、加工、使用本产 品及相关部分。

直线倒立摆系统 GLIP 系列包含 《直线倒立摆系统 GLIP 系列安装与使用手册》 和《倒立摆与自动控制原理实验》。

声明固高科技保留在不预先通知的情况下修改设备和文档的权力。

固高科技不承担由于使用本说明书或本产品不当， 所造成的直接的、 间接的、 特殊的、附带的、或相应的损失和赔偿。

商标声明Windows 和 Microsoft 为 Microsoft 公司注册商标。

Mathematica 为沃尔夫勒姆研究公司（Wolfram Research Inc.)公司注册商标。

Matlab 为 Mathworks 公司注册商标©Googol 2005I安全注意 事项直线倒立摆系统主要用于教学和科研。

在安装，使用和维护之前，请仔细阅 读本安装手册。

请将本手册妥善保存，以备需要时随时查阅。

使用注意 事项使用（安装、运转、保养、检修）前，请务必熟悉并全部掌握本手册和其它 相关资料，在熟知全部机器知识、安全知识、以及注意事项后再使用设备。

本手册将安全注意事项分为“危险”“注意”“强制”“禁止”分别记载。

表 1-1 警告标志不正确的操作将会导致重大人身事故。

不正确的操作会导致设备损坏。

必须要做的操作。

被禁止的操作。

另外，即使“注意”所记载的内容，也可能因为不同的情况产生严重后果，因此 任何一条注意事项都很重要，在设备使用过程中请严格遵守。

虽然不符合“危险”“注意”的内容，但是用户在使用过程中必须严 格遵守的事项，在相关地方以记载。

倒立摆实验报告：自动化仓库货物搬运（）一、引言随着我国经济的快速发展，物流行业日益繁荣，自动化仓库成为现代物流体系的重要组成部分。

自动化仓库货物搬运系统作为仓库管理的核心环节，其效率和稳定性直接影响到整个物流系统的运行。

倒立摆作为一种先进的自动化搬运技术，具有结构简单、响应速度快、控制精度高等优点，逐渐成为自动化仓库货物搬运领域的研究热点。

本实验报告以倒立摆实验为研究对象，探讨其在自动化仓库货物搬运中的应用前景。

二、实验目的1.研究倒立摆系统在自动化仓库货物搬运中的运动特性及稳定性。

2.分析倒立摆系统在不同工况下的控制策略及性能。

3.探讨倒立摆系统在实际应用中的可行性及优化方向。

三、实验原理倒立摆系统是一种典型的非线性、强耦合、不稳定系统，其基本原理如图1所示。

倒立摆由摆杆、质量块和驱动电机组成，通过控制电机的旋转速度，使摆杆在垂直平面内做往复运动，实现质量块的搬运。

图1倒立摆系统原理图四、实验方案1.实验设备：倒立摆实验平台、驱动电机、编码器、数据采集卡、计算机等。

2.实验步骤：a.搭建倒立摆实验平台，确保设备正常运行。

b.编写倒立摆系统控制程序，实现摆杆的运动控制。

c.采集倒立摆系统运动过程中的数据，包括摆杆角度、角速度、电机电流等。

d.分析倒立摆系统在不同工况下的运动特性及稳定性。

e.根据实验结果，优化控制策略，提高倒立摆系统的性能。

五、实验结果与分析1.倒立摆系统运动特性分析：通过实验观察到，倒立摆系统在运动过程中存在明显的非线性现象，如摆杆角度和角速度的周期性波动。

在初始阶段，摆杆角度波动较大，随着控制策略的优化，摆杆角度逐渐稳定在平衡位置附近。

此外，倒立摆系统在不同工况下的运动特性也存在差异，如在负载变化、外界干扰等因素影响下，摆杆角度波动幅度增大，稳定性降低。

2.倒立摆系统稳定性分析：实验结果表明，倒立摆系统的稳定性受到多种因素的影响，如控制参数、外界干扰等。

在控制参数合适的情况下，倒立摆系统可以保持较好的稳定性。

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。

倒立摆实验报告机自82组员：李宗泽李航刘凯付荣倒立摆与自动控制原理实验一. 实验目得：1、运用经典控制理论控制直线一级倒立摆，包括实际系统模型得建立、根轨迹分析与控制器设计、频率响应分析、PID 控制分析等内容、２、运用现代控制理论中得线性最优控制LQR方法实验控制倒立摆3、学习运用模糊控制理论控制倒立摆系统4、学习MATLAＢ工具软件在控制工程中得应用５、掌握对实际系统进行建模得方法,熟悉利用MATＬＡB 对系统模型进行仿真,利用学习得控制理论对系统进行控制器得设计,并对系统进行实际控制实验,对实验结果进行观察与分析，非常直观得感受控制器得控制作用。

二、实验设备计算机及MATＬAB、ＶC等相关软件固高倒立摆系统得软件固高一级直线倒立摆系统,包括运动卡与倒立摆实物倒立摆相关安装工具三．倒立摆系统介绍倒立摆就是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术得有机结合,其被控系统本身又就是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合得非线性系统，可以作为一个典型得控制对象对其进行研究。

倒立摆系统作为控制理论研究中得一种比较理想得实验手段，为自动控制理论得教学、实验与科研构建一个良好得实验平台,以用来检验某种控制理论或方法得典型方案,促进了控制系统新理论、新思想得发展。

由于控制理论得广泛应用,由此系统研究产生得方法与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、火箭发射中得垂直度控制、卫星飞行中得姿态控制与一般工业应用等方面具有广阔得利用开发前景．倒立摆已经由原来得直线一级倒立摆扩展出很多种类,典型得有直线倒立摆环形倒立摆，平面倒立摆与复合倒立摆等，本次实验采用得就是直线一级倒立摆。

倒立摆得形式与结构各异,但所有得倒立摆都具有以下得特性: １）非线性2）不确定性3) 耦合性4) 开环不稳定性5）约束限制倒立摆控制器得设计就是倒立摆系统得核心内容,因为倒立摆就是一个绝对不稳定得系统,为使其保持稳定并且可以承受一定得干扰,需要给系统设计控制器，本小组采用得控制方法有:ＰID控制、双PIＤ控制、ＬＱR控制、模糊PIＤ控制、纯模糊控制四.直线一级倒立摆得物理模型:系统建模可以分为两种:机理建模与实验建模。

Googol Technology倒立摆与 自动控制原理实验V2.0固高科技（深圳）有限公司二○○五年©Googol 20051固高科技（深圳）有限公司 GOOGOL TECHNOLOGY (SHENZHEN) LTD版权声明固高科技（深圳）有限公司 保留所有版权固高科技有限公司（以下简称固高科技）具有本产品及其软件的专利权、版 权和其它知识产权。

未经授权，不得直接或间接的复制、制造、加工、使用本产 品及相关部分。

直线倒立摆系统 GLIP 系列包含 《直线倒立摆系统 GLIP 系列安装与使用手册》 和《倒立摆与自动控制原理实验》。

声明固高科技保留在不预先通知的情况下修改设备和文档的权力。

固高科技不承担由于使用本说明书或本产品不当， 所造成的直接的、 间接的、 特殊的、附带的、或相应的损失和赔偿。

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Matlab 为 Mathworks 公司注册商标©Googol 2005I安全注意 事项直线倒立摆系统主要用于教学和科研。

在安装，使用和维护之前，请仔细阅 读本安装手册。

请将本手册妥善保存，以备需要时随时查阅。

使用注意 事项使用（安装、运转、保养、检修）前，请务必熟悉并全部掌握本手册和其它 相关资料，在熟知全部机器知识、安全知识、以及注意事项后再使用设备。

本手册将安全注意事项分为“危险”“注意”“强制”“禁止”分别记载。

表 1-1 警告标志不正确的操作将会导致重大人身事故。

不正确的操作会导致设备损坏。

必须要做的操作。

被禁止的操作。

另外，即使“注意”所记载的内容，也可能因为不同的情况产生严重后果，因此 任何一条注意事项都很重要，在设备使用过程中请严格遵守。

虽然不符合“危险”“注意”的内容，但是用户在使用过程中必须严 格遵守的事项，在相关地方以记载。

倒立摆仿真实验报告倒立摆是一个非线性、不稳定的系统，是经常作为研究比较不同控制方法的典型例子。

有许多抽象的控制概念，如控制系统的稳定性、可控性、系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观地表现出来，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的研究人员一直将它视为研究对象。

倒立摆系统具有3个特性，即：不确定性，耦合性，开环不稳定性。

直线型倒立摆系统，是由沿直线导轨运动的小车以及一端固定于小车上的匀质长杆组成的系统，小车可以通过传动装置由交流伺服电机驱动，小车导轨一般有固定的行程，因而小车的运动范围是受到限制的。

一阶倒立摆建模在忽略了空气流动阻力，以及各种摩擦之后，可将倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如下图所示M ：小车质量；x ：小车位置；m ：摆杆质量J ：摆杆惯量；F ：加在小车上的力；l ：摆杆转动轴心到杆质心的长度；θ：摆杆与垂直向上方向的夹角。

图1 倒立摆示意图倒立摆的数学模型为πθθπθθθθ180cos )3/4(]sin )180/([cos sin 22⨯-+-=l m ml l m f mg p p 我们可以实时量测角度θ（◦），并计算出角速度θ （◦/s ），控制的任务是产生合适的作用力f,以使倒立摆保持直立状态。

一 连续模糊控制器1、论域的正规化首先设定 15=m θ，s m/60 =θ，N F m 10=，将θ，θ ，f 的实际值分别除以m θ，mθ ，m F ，并加以1±限幅后，得到正规化的输入输出变量：其中]1,1[,,-∈z y x 2、定义模糊几何及其隶属函数对正规化的输入输出变量x,y,z 各定义五个模糊集合：NL ，NS ，Z ，PS ，PL ，分别用51~A A ，21~B B ，21~C C 来代表，x,y,z 三个变量的模糊集合的隶属函数均是对称，均匀分布，全交迭的三角形，如图2所示。

图2 变量的隶属函数 3、设计模糊控制规则集x 和y 各有五个模糊集合，所以最多有2552=条规则，根据经验只用11条规则即可，如表1所示。

一、实验内容1、完成Matlab Simulink 环境下的电机控制实验。

2、完成直线一级倒立摆的建模、仿真、分析。

3、理解并掌握PID控制的的原理和方法，并应用与直线一级倒立摆4、主要完成状态空间极点配置控制实验、LQR控制实验、LQR控制(能量自摆起)实验、直线二级倒立摆Simulink的实时控制实验。

二、实验设备1、计算机。

2、电控箱，包括交流伺服机驱动器、运动控制卡的接口板、直流电源等。

3、倒立摆本体，包括一级倒立摆，二级倒立摆。

三、倒立摆实验介绍倒立摆是一个典型的不稳定系统，同时又具有多变量、非线性、强耦合的特性，是自动控制理论中的典型被控对象。

它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一定的稳定性和良好的性能。

许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。

（1）被控对象倒立摆的被控对象为摆杆和小车。

摆杆通过铰链连接在小车上，并可以围绕连接轴自由旋转。

通过给小车施加适当的力可以将摆杆直立起来并保持稳定的状态。

（2）传感器倒立摆系统中的传感器为光电编码盘。

旋转编码器是一种角位移传感器，它分为光电式、接触式和电磁感应式三种，本系统用到的就是光电式增量编码器。

（3）执行机构倒立摆系统的执行机构为松下伺服电机和与之连接的皮带轮。

电机的转矩和速度通过皮带轮传送到小车上，从而带动小车的运动。

电机的驱动由与其配套的伺服驱动器提供。

光电码盘1将小车的位移、速度信号反馈给伺服驱动器和运动控制卡，而光电码盘2 将摆杆的位置、速度信号反馈回控制卡。

计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策（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该控制决策，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。

图1 直线倒立摆系统总体结构图四、实验步骤4.1 状态空间极点配置控制实验极点配置法通过设计状态反馈控制器将多变量系统的闭环系统极点配置在期望的位置上，从而使系统满足瞬态和稳态性能指标。

第1篇一、实验目的本次实验旨在通过搭建小车倒立摆系统，实现对倒立摆的稳定控制，加深对PID控制、LQR控制、状态空间极点配置控制等控制理论的理解，并掌握模型预测控制（MPC）在倒立摆系统中的应用。

二、实验原理倒立摆系统是一个典型的不稳定系统，具有多变量、非线性、强耦合的特性。

通过对倒立摆进行建模，分析其动力学特性，设计合适的控制策略，可以使倒立摆达到稳定状态。

三、实验设备1. 计算机及Matlab软件2. 倒立摆系统，包括小车、摆杆、光电编码器等3. 电机驱动器4. 电源5. 数据采集卡四、实验步骤1. 系统建模（1）建立倒立摆的动力学方程根据牛顿第二定律，倒立摆的动力学方程可以表示为：$$Mx'' + bx' + cx = F$$$$ml^2\theta'' + mgl\sin\theta + bl\theta' = 0$$其中，M为小车质量，m为摆杆质量，l为摆杆长度，b和c为阻尼系数，F为控制力，x为小车位移，θ为摆杆角度。

（2）建立状态空间模型将上述动力学方程转化为状态空间模型：$$\begin{bmatrix}x'\\ \theta'\\ x''\\ \theta''\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1\\ \frac{1}{M} & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & -\frac{mgl}{l^2} & -b\end{bmatrix} \begin{bmatrix}x\\ \theta\\ x'\\ \theta'\end{bmatrix} + \begin{bmatrix}0\\ 0\\ \frac{1}{M}\\0\end{bmatrix}F$$2. 控制策略设计（1）PID控制设计PID控制器，对倒立摆进行控制。

倒立摆实验报告机自82组员：李宗泽李航刘凯付荣倒立摆与自动控制原理实验一．实验目的:1.运用经典控制理论控制直线一级倒立摆,包括实际系统模型的建立、根轨迹分析和控制器设计、频率响应分析、PID 控制分析等内容.2.运用现代控制理论中的线性最优控制LQR 方法实验控制倒立摆3.学习运用模糊控制理论控制倒立摆系统4.学习MATLAB工具软件在控制工程中的应用5.掌握对实际系统进行建模的方法，熟悉利用MATLAB 对系统模型进行仿真，利用学习的控制理论对系统进行控制器的设计，并对系统进行实际控制实验，对实验结果进行观察和分析，非常直观的感受控制器的控制作用。

二. 实验设备计算机及MATLAB.VC等相关软件固高倒立摆系统的软件固高一级直线倒立摆系统,包括运动卡和倒立摆实物倒立摆相关安装工具三．倒立摆系统介绍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。

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。

倒立摆已经由原来的直线一级倒立摆扩展出很多种类，典型的有直线倒立摆环形倒立摆，平面倒立摆和复合倒立摆等，本次实验采用的是直线一级倒立摆。

倒立摆的形式和结构各异，但所有的倒立摆都具有以下的特性: 1) 非线性2) 不确定性3) 耦合性4) 开环不稳定性5) 约束限制倒立摆控制器的设计是倒立摆系统的核心内容，因为倒立摆是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰，需要给系统设计控制器，本小组采用的控制方法有：PID 控制、双PID 控制、LQR控制、模糊PID控制、纯模糊控制四．直线一级倒立摆的物理模型：系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。

.学生实验报告课程名称: 倒立摆系统课程设计组号：7姓名：学号：邮箱：2010年11 月11 1日目录倒立摆系统的构成 (3)单级倒立摆数学模型的建立 (3)传递函数 (6)状态空间方程 (6)系统M ATLAB 仿真和开环响应 (7)稳定性与可控性分析 (11)控制器设计 (12)基于状态反馈的控制算法设计与仿真LQR (12)极点配置法 (16)PID控制算法 (19)实验结果及与仿真结果的对比分析 (29)感想和建议 (30)倒立摆系统的构成图1 倒立摆系统的组成框图如图1所示为倒立摆的结构图。

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将小车的位移、速度信号反馈给伺服驱动器和运动控制卡，摆杆的位置、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（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该控制决策，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。

单级倒立摆数学模型的建立在忽略了空气流动，各种摩擦之后，可将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 单级倒立摆模型示意图那我们在本实验中定义如下变量：M 小车质量（本实验系统0.5 Kg）m 摆杆质量（本实验系统0.2 Kg）b 小车摩擦系数（本实验系统0.1 N/m/sec）l 摆杆转动轴心到杆质心的长度（0.3 m）I 摆杆惯量（0.006 kg*m*m）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）下面我们对这个系统作一下受力分析。

下图3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，图示方向为矢量正方向。

图3 倒立摆模型受力分析分析小车水平方向所受的合力，可以得到等式：应用Newton方法来建立系统的动力学方程过程如下：分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：N x b F xM --= 由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：)sin (22θl x dt d mN +=即 θθθθsin cos 2ml ml x m N -+= 把这个等式代入上式中，就得到系统的第一个运动方程：F ml ml x b xm M =-+++θθθθsin cos )(2 （1） 为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：θθθθθcos sin )cos (222ml ml mg P l dtd m mg P --=-=-即：力矩平衡方程如下：θθθ I Nl Pl =--cos sin 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。

专业实验报告（2）直线一级倒立摆根轨迹校正控制原理基于根轨迹法校正的基本思想是：假设系统的动态性能指标可由靠近虚轴的一对共轭闭环主导极点来表征，因此，可把对系统提出的时域性能指标的要求转化为一对期望闭环主导极点。

确定这对闭环主导极点的位置后，首先根据绘制根轨迹的相角条件判断一下它们是否位于校正前系统的根轨迹上。

如果这对闭环主导极点正好落在校正前系统的根轨迹上，则无需校正，只需调整系统的根轨迹增益即可；否则，可在系统中串联一个超前校正装置。

常见的校正器有超前校正、滞后校正以及超前滞后校正等。

2. 实验方法（1）直线倒立摆建模、仿真与分析利用牛顿-欧拉方法建立直线一级倒立摆系统的数学模型；依照根轨迹设计的步骤得到系统的控制器，利用MATLAB Simulink中的工具进行仿真分析。

（3）直线一级倒立摆根轨迹校正控制利用MATLAB Simulink来实现根轨迹校正控制参数设定和仿真，并利用该参数来设定只限一级倒立摆的根轨迹校正控制器值，分析和仿真倒立摆的运行情况。

3. 实验装置直线单级倒立摆控制系统硬件结构框图如图1所示，包括计算机、I/O设备、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘反馈测量元件等几大部分，组成了一个闭环系统。

图1 一级倒立摆实验硬件结构图对于倒立摆本体而言，可以根据光电码盘的反馈通过换算获得小车的位移，小车的速度信号可以通过差分法得到。

摆杆的角度由光电码盘检测并直接反馈到I/O设备，速度信号可以通过差分法得到。

计算机从I/O设备中实时读取数据，确定控制策略（实际上是电机的输出力矩），并发送给I/O设备，I/O设备产生相应的控制量，交与伺服驱动器处理，然后使电机转动，带动小车运动，保持摆杆平衡。

图2是一个典型的倒立摆装置。

铝制小车由6V 的直流电机通过齿轮和齿条机构来驱动。

小车可以沿不锈钢导轨做往复运动。

小车位移通过一个额外的与电机齿轮啮合的齿轮测得。

小车上面通过轴关节安装一个摆杆，摆杆可以绕轴做旋转运动。

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。

其中，线性控制方法包括PID控制、状态反馈控和LQR 控制等；预测控制方法包括预测控制、分阶段起摆、变结构控制和自适应神经模糊推理系统等，也有文献将这些控制方法归类为非线性控制方法；智能控制方法主要包括神经网络控制、模糊控制、遗传算法、拟人智能控制、云模型控制和泛逻辑控制法等。