基于特征结构配置的倒立摆控制系统设计

控制系统综合设计倒立摆控制系统院（系、部）：组长：组员班级：指导教师：2014年1月2日星期四目录摘要----------------------------------------------------------------------------------3 引言----------------------------------------------------------------------------------3一、整体方案设计--------------------------------------------------------------31、需求-----------------------------------------------------------------------------32、目标-----------------------------------------------------------------------------33、概念设计----------------------------------------------------------------------34、整体开发方案设计---------------------------------------------------------35、评估----------------------------------------------------------------------------4二、系统设计--------------------------------------------------------------------4 （一）系统设计-----------------------------------------------------------------41、功能分析----------------------------------------------------------------------42、设计规和约束------------------------------------------------------------63、详细设计----------------------------------------------------------------------7 （二）机械系统设计-----------------------------------------------------------8三、理论分析---------------------------------------------------------------------91、控制系统建模----------------------------------------------------------------92、时域和频域分析------------------------------------------------------------133、设计PID或其他控制器---------------------------------------------------21四、元器件、设备选型--------------------------------------------------------30五、加工制作--------------------------------------------------------------------331、加工图纸---------------------------------------------------------------------382、材料选择----------------------------------------------------------------------383、加工方案----------------------------------------------------------------------38六、安装调试--------------------------------------------------------------------38七、经济性分析-----------------------------------------------------------------39八、结论---------------------------------------------------------------------------391、课程设计总结----------------------------------------------------------------392、感悟和体会-------------------------------------------------------------------393、致-----------------------------------------------------------------------------40九、参考文献----------------------------------------------------------------------40倒立摆控制系统设计摘要：在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。

一、引言支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装置的叫倒立摆。

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。

问题的提出倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自有连接（即无电动机或其他驱动设备）。

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。

倒立摆的控制方法倒立摆系统的输入来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，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在固定的轨道上运动，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。

本次设计中我们采用其中的牛顿－欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型，然后通过开环响应分析对该模型进行分析，并利用学习的古典控制理论和Matlab /Simulink仿真软件对系统进行控制器的设计，主要采用根轨迹法，频域法以及PID（比例-积分-微分）控制器进行模拟控制矫正。

2 直线倒立摆数学模型的建立直线一级倒立摆由直线运动模块和一级摆体组件组成，是最常见的倒立摆之一，直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由度，小车可以沿导轨水平运动，在小车上装载不同的摆体组件。

控制系统综合设计倒立摆控制系统院（系、部）：组长：组员班级：指导教师：2014年1月2日星期四目录摘要----------------------------------------------------------------------------------3 引言----------------------------------------------------------------------------------3一、整体方案设计--------------------------------------------------------------31、需求-----------------------------------------------------------------------------32、目标-----------------------------------------------------------------------------33、概念设计----------------------------------------------------------------------34、整体开发方案设计---------------------------------------------------------35、评估----------------------------------------------------------------------------4二、系统设计--------------------------------------------------------------------4 （一）系统设计-----------------------------------------------------------------41、功能分析----------------------------------------------------------------------42、设计规范和约束------------------------------------------------------------63、详细设计----------------------------------------------------------------------7 （二）机械系统设计-----------------------------------------------------------8三、理论分析---------------------------------------------------------------------91、控制系统建模----------------------------------------------------------------92、时域和频域分析------------------------------------------------------------133、设计PID或其他控制器---------------------------------------------------21四、元器件、设备选型--------------------------------------------------------30五、加工制作--------------------------------------------------------------------331、加工图纸---------------------------------------------------------------------382、材料选择----------------------------------------------------------------------383、加工方案----------------------------------------------------------------------38六、安装调试--------------------------------------------------------------------38七、经济性分析-----------------------------------------------------------------39八、结论---------------------------------------------------------------------------391、课程设计总结----------------------------------------------------------------392、感悟和体会-------------------------------------------------------------------393、致谢-----------------------------------------------------------------------------40九、参考文献----------------------------------------------------------------------40倒立摆控制系统设计摘要：在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。

自动控制理论课程设计倒立摆系统的控制器设计学生姓名：指导教师：班级：二O一三课程设计指导教师评定成绩表：指导教师评定成绩：指导教师签名：年月日重庆大学本科学生课程设计任务书目录一、倒立摆控制系统概述 (6)二、数学模型的建立 (7)三、系统开环响应分析 (8)四、根轨迹法控制器设计 (9)4.1根轨迹分析 (9)4.2系统根轨迹设计 (10)4.3校正后系统性能分析 (12)4.4系统控制器的调整 (12)五、频域法控制器设计 (14)5.1频域法分析 (14)5.2串联校正器的选择与设计 (14)5.3系统的仿真 (17)六、PID控制器设计 (18)七、总结及心得体会 (20)八、参考教材 (20)一、倒立摆控制系统概述倒立摆装置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：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。

在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。

倒立摆系统作为一个控制装置，结构简单、价格低廉，便于模拟和数字实现多种不同的控制方法，作为一个被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的快速系统，只有采用行之有效的控制策略，才能使其稳定。

倒立摆系统可以用多种理论和方法来实现其稳定控制，如PID、自适应、状态反馈、智能控制、模糊控制及人工神经元网络等多种理论和方法，都能在倒立摆系统控制上得到实现，而且当一种新的控制理论和方法提出以后，在不能用理论加以严格证明时，可以考虑通过倒立摆装置来验证其正确性和实用性。

倒立摆的种类：悬挂式、直线、环形、平面倒立摆等。

1 引言支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装置的叫倒立摆。

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。

1.1 问题的提出倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自有连接（即无电动机或其他驱动设备）。

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。

1.2 倒立摆的控制方法倒立摆系统的输入来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，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在固定的轨道上运动，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。

本次设计中我们采用其中的牛顿－欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型，然后通过开环响应分析对该模型进行分析，并利用学习的古典控制理论和Matlab /Simulink仿真软件对系统进行控制器的设计，主要采用根轨迹法，频域法以及PID（比例-积分-微分）控制器进行模拟控制矫正。

2 直线倒立摆数学模型的建立直线一级倒立摆由直线运动模块和一级摆体组件组成，是最常见的倒立摆之一，直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由度，小车可以沿导轨水平运动，在小车上装载不同的摆体组件。

倒立摆控制系统设计倒立摆是一种经典的控制系统设计问题，经常用于教学和研究中。

倒立摆是一个在竖直平衡位置上方的摆杆，通过控制一些关节的力矩使其保持平衡。

以下是一个倒立摆控制系统的设计过程。

第一步：建立动力学模型首先，需要建立倒立摆的动力学模型。

倒立摆的动力学模型可以通过运动方程来表达。

假设摆的长度为l，质量为m，可以得到摆杆的转动惯量I=m*l^2、摆杆在竖直方向上受到重力加速度g作用。

假设摆杆的角位移为θ，角速度为ω，则可以得到如下的转动方程：I*ω' = -mgl*sin(θ)第二步：线性化模型将非线性动力学模型线性化是控制系统设计中的常见做法。

在线性化之前，需要选择一个工作点作为参考点。

假设工作点为竖直平衡位置，因此θ=0，ω=0。

线性化的目的是在工作点处计算摆杆动态的近似线性表示。

通过对转动方程进行泰勒级数展开并忽略高阶项，可以得到线性化的模型：I*ω' = -mgl*θ第三步：设计控制器在线性化的模型中，我们可以引入一个控制器来控制摆杆的角度，并使之保持在竖直位置。

常见的控制器包括比例控制器（P控制器）、积分控制器（I控制器）和微分控制器（D控制器）。

通过控制器，我们可以得到一个控制信号u，作用于系统中的输入来控制倒立摆。

控制器的设计可以基于设计指标，如系统的快速响应性、稳定性和鲁棒性等。

第四步：模拟和验证在完成控制器设计之后，可以进行仿真和实验来验证系统的控制效果。

倒立摆系统通常可以用控制系统设计软件进行建模和仿真。

可以通过改变控制器的参数来观察系统的响应，并对控制器进行调整和优化。

第五步：系统实现和调试在模拟和验证阶段的成功之后，可以将控制器实现到实际的倒立摆系统中。

可能需要选择合适的硬件平台和传感器来实现对系统状态的测量。

实际实施过程中，可能还需要对控制器进行再次调整和优化，以适应实际系统的特点。

综上所述，倒立摆控制系统设计包括建立动力学模型、线性化模型、设计控制器、模拟和验证、系统实现和调试等步骤。

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。

倒立摆控制系统的设计对于倒立摆控制系统的设计，主要包括以下几个方面：建立数学模型、设计控制器、仿真和验证。

首先，建立数学模型是控制系统设计的第一步。

倒立摆的数学模型可以用动力学方程来描述。

根据牛顿定律和角动量定理，可以推导出摆的运动方程。

运动方程可以用二阶非线性微分方程来表示。

对于简单的倒立摆，可以假设摩擦等影响可以忽略不计，从而简化模型。

但在实际应用中，需要考虑摩擦等非线性因素的影响。

然后，设计控制器是控制系统设计的核心。

一般来说，倒立摆控制系统使用PID控制器或者模糊控制器。

PID控制器是一种经典的控制器，通过调节比例项、积分项和微分项的权重，可以实现对摆的位置和角度的控制。

模糊控制器则是一种模糊逻辑控制器，通过定义模糊化变量、模糊化规则和模糊推理等步骤，实现对摆的控制。

在设计控制器时，需要根据具体的系统动态特性和性能指标进行参数调整和优化。

接下来，进行仿真和验证是控制系统设计的关键步骤。

通过使用数学模型和设计好的控制器，在仿真软件或硬件平台上进行仿真实验。

在仿真实验中，可以观察摆的响应特性，如超调量、响应时间和稳态误差等，并对控制器的参数进行调整和优化。

在验证阶段，可以基于实际硬件搭建实验平台，进行实际实验，并与仿真结果进行比较和分析。

最后，根据仿真和验证的结果，可以对控制系统进行进一步的改进和优化。

针对仿真结果中存在的性能指标不达标或者响应不够理想的问题，可以重新调整控制器参数或者进行控制策略的改进。

通过多次迭代和优化，最终可以得到满足需求的倒立摆控制系统。

综上所述，倒立摆控制系统的设计涉及到数学模型的建立、控制器的设计、仿真和验证等多个步骤。

这些步骤需要结合实际需求和性能指标进行调整和优化，才能得到一个有效和稳定的控制系统。

倒立摆控制系统设计是控制工程领域的经典问题，通过对这一问题的研究和探索，可以深入理解控制系统设计的基本原理和方法。

倒立摆系统的控制器设计1（含5篇）第一篇：倒立摆系统的控制器设计1刘翰林倒立摆系统的控制器设计引言1.1 问题的提出生活在大千世界里，摆无处不在。

何为摆？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。

现实生活中，旋转着的芭蕾舞演员，杂技的顶伞，墙上挂钟的钟摆，工作中的吊车等都可被看作是一个摆。

倒立摆的种类繁多，其中包括悬挂式、直线、环形、平面倒立摆等。

一级、二级、三级、四级乃至多级倒立摆。

1.2 倒立摆系统简介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，麻省理工学院（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。

1.3 倒立摆的分类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，倒立摆系统是在运动模块上装有倒立摆装置，由于在相同的运动模块上可以装载不同的倒立摆装置，倒立摆的种类由此而丰富很多，按倒立摆的结构来分，有以下类型的倒立摆： 1)直线倒立摆系列直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由度，小车可以沿导轨水平运动，在小车上装载不同的摆体组件，可以组成很多类别的倒立摆，直线柔性倒立摆和一般直线倒立摆的不同之处在于，柔性倒立摆有两个可以沿导轨滑动的小车，并且在主动小车和从动小车之间增加了一个弹簧，作为柔性关节。

自动控制理论课程设计倒立摆系统的控制器设计学生姓名：李可达指导教师：黄建明班级：自动化6班学号：20105107重庆大学自动化学院二O一二年十二月课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新10 有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名：年月日课程设计题目 倒立摆系统的控制器设计学院 自动化学院 专业 自动化年级 2010级1、已知参数和设计要求：M ：小车质量 1.096kg m ：摆杆质量 0.109kg b ：小车摩擦系数 0.1N/sec l ：摆杆转动轴心到杆质心的长度 0.25m I ：摆杆惯量 0.0034kgm 2建立以小车加速度为系统输入，以摆杆角度为系统输出的被控对象数学模型。