一級(jí)倒立擺課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　綜合課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　簡介··················

2、83;·······························4</p><p>　　一.直線一級(jí)倒

3、立擺系統(tǒng)····························5</p><p>　　1.1直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)裝置·&#

4、183;······················5</p><p>　　1.2系統(tǒng)方塊圖········

5、3;·······························5</p><p>　　1.3直線一級(jí)倒

6、立擺機(jī)理建模····························7</p><p>　　1.4 Matlab仿真分析·&#

7、183;··································9</p>

8、<p>　　二.串聯(lián)校正裝置的頻域設(shè)計(jì)·······················10</p><p>　　2.1超前校正裝置的設(shè)計(jì)···&#

9、183;····························10</p><p>　　2.2倒立擺實(shí)時(shí)控制··&

10、#183;·································13</p><

11、;p>　　2.3校正裝置的設(shè)計(jì)·································

12、3;··15</p><p>　　2.4 滯后-超前校正裝置的設(shè)計(jì)···························16&

13、lt;/p><p>　　2.5小結(jié)································&

14、#183;·············18</p><p>　　三、PID控制器的設(shè)計(jì)·················

15、;················19</p><p>　　3.1 PID控制系統(tǒng)圖··············&#

16、183;·····················19</p><p>　　3.2 PID控制器的控制規(guī)律········&#

17、183;·····················19</p><p>　　3.3參數(shù)掃描得到合適的kp、ki、kd·······

18、83;··············19</p><p>　　3.4 PID控制器的設(shè)計(jì)················

19、;··················22</p><p>　　3.5 小結(jié)·············&#

20、183;································23</p><p>　

21、　四、經(jīng)濟(jì)性分析···································&#

22、183;··24</p><p>　　4.1 市場(chǎng)分析····························

23、83;·············24</p><p>　　4.2 市場(chǎng)運(yùn)作·················

24、3;························24</p><p>　　4.3 成本分析·······

25、;···································25</p&

26、gt;<p>　　五、參考文獻(xiàn)·································

27、·······28</p><p>　　六、體會(huì)·························

28、;····················29</p><p><b>　　簡 介</b></p><p>　　倒立擺是進(jìn)行控制理論研究的典型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于倒立擺系統(tǒng)的控

29、制策略和雜技運(yùn)動(dòng)員頂桿平衡表演的技巧有異曲同工之處，極富趣味性，而且許多抽象的控制理論概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性和系統(tǒng)抗干擾能力等等，都可以通過倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)直觀的表現(xiàn)出來，因此在歐美發(fā)達(dá)國家的高等院校，它已成為必備的控制理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論的學(xué)生通過倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所學(xué)的控制理論和算法，非常的直觀、簡便，在輕松的實(shí)驗(yàn)中對(duì)所學(xué)課程加深了理解。 </p><p>　　倒立擺不僅僅是一種優(yōu)秀的教學(xué)實(shí)驗(yàn)

30、儀器，同時(shí)也是進(jìn)行控制理論研究的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于倒立擺系統(tǒng)本身所具有的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合特性，許多現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將它視為典型的研究對(duì)象，不斷從中發(fā)掘出新的控制策略和控制方法，相關(guān)的科研成果在航天科技和機(jī)器人學(xué)方面獲得了廣闊的應(yīng)用。二十世紀(jì)九十年代以來，更加復(fù)雜多種形式的倒立擺系統(tǒng)成為控制理論研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，每年在專業(yè)雜志上都會(huì)有大量的優(yōu)秀論文出現(xiàn)。 </p><p>　　固高科技

31、有限公司（以下簡稱固高科技）為高等院校的自動(dòng)控制教學(xué)提供了整套基于擺系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)解決方案。包括各種擺的開發(fā)生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排和配置，以及對(duì)應(yīng)的自動(dòng)控制理論教學(xué)內(nèi)容和相關(guān)經(jīng)典教材的推薦。固高科技開發(fā)生產(chǎn)的倒立擺系列包括直線運(yùn)動(dòng)型和圓周運(yùn)動(dòng)型兩個(gè)系列，主要特點(diǎn)包括： </p><p>　　開放性：采用四軸運(yùn)動(dòng)控制板卡，機(jī)械部分和系統(tǒng)硬件部分非常容易擴(kuò)展，可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行配置。系統(tǒng)軟件接口充分開放，用戶不僅可以使用

32、配套的實(shí)驗(yàn)軟件，而且可以根據(jù)自己的實(shí)際需要擴(kuò)展軟件的功能。 </p><p>　　模塊化：系統(tǒng)的機(jī)械部分可以選用直線或者旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際需要配置成成一級(jí)、二級(jí)或者三級(jí)倒立擺。而三級(jí)擺可以方便地改裝成兩級(jí)擺，兩級(jí)擺可以改裝成一級(jí)擺。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟件同樣是基于模塊化的思想設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)需要增加或者修改相應(yīng)的功能模塊。 </p><p>　　簡易安全：擺系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制板卡、電控箱（旋轉(zhuǎn)平臺(tái)系

33、統(tǒng)中和機(jī)械本體聯(lián)在一起）、機(jī)械本體和微型計(jì)算機(jī)幾個(gè)部分組成，安裝升級(jí)方便。同時(shí)在機(jī)械、運(yùn)動(dòng)控制板卡和實(shí)驗(yàn)軟件上都采取了積極措施，保證實(shí)驗(yàn)時(shí)人員的安全可靠和儀器安全。 </p><p>　　方便性： 倒立擺系統(tǒng)易于安裝、升級(jí)，同時(shí)軟件界面操作簡單。 </p><p>　　先進(jìn)性：采用工業(yè)級(jí)四軸運(yùn)動(dòng)控制板卡作為核心控制系統(tǒng)，先進(jìn)的交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)元件使用光電碼盤而不使用電位計(jì)。系統(tǒng)設(shè)

34、計(jì)符合當(dāng)今先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展方向。 </p><p>　　一、直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)</p><p>　　1.1直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)裝置</p><p>　　該裝置由計(jì)算機(jī)、電控箱、一級(jí)倒立擺系統(tǒng)等部件組成，控制一級(jí)擺倒立。</p><p>　　1.2級(jí)倒立擺系統(tǒng)的硬件組成以及工作原理</p><p>　　倒立擺系統(tǒng)

35、包含倒立擺本體、電控箱及出計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡組成的控制平臺(tái)三大部分，組成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)件圖如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 一級(jí)倒立擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　其中電控箱內(nèi)主要有以下部件：(1)交流伺服驅(qū)動(dòng)器；(2)I／O接口板；(3)開關(guān)電源?？刂破脚_(tái)主要部分組成：(1)與IBM PC／AI機(jī)兼容的PC機(jī)，帶PCI／SCI總線插槽；(2)GT400一SV—

36、PCI運(yùn)動(dòng)控制卡；(3)GT400．SV—PCI運(yùn)動(dòng)控制卡用戶接口軟件。電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)小車在滑桿上來回運(yùn)動(dòng)，以保持?jǐn)[桿平衡。</p><p>　　直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的工作原理如圖所示：</p><p>　　倒立擺系統(tǒng)工作原理框圖</p><p>　　電機(jī)編碼器和角碼器向運(yùn)動(dòng)控制卡反饋小車和擺桿位置，小車的位移可以根據(jù)光Ffl碼盤l的反饋通過換算獲得，速度信號(hào)可以

37、通過對(duì)位移的差分得到，并同時(shí)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制卡；擺桿的角度由光電碼盤2測(cè)量得到，而角速度信號(hào)可以通過對(duì)角度的差分得到，并同時(shí)反饋給控制卡和伺服驅(qū)動(dòng)器。計(jì)算機(jī)從運(yùn)動(dòng)控制卡中讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確定控制決策(小車向哪個(gè)方向移動(dòng)，移動(dòng)速度，加速度等)，并由運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，保持?jǐn)[桿平衡。</p><p>　　下面來介紹一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的一些硬件組成：</p&

38、gt;<p><b>　　伺服電機(jī)</b></p><p>　　伺服電機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，它將輸入的電壓信號(hào)變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或者角速度輸出。輸入的電壓信號(hào)又稱為控制信號(hào)或者控制電壓。改變控制電壓可以變更伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。</p><p>　　(2) 編碼器</p><p>　　編碼器作為檢

39、測(cè)轉(zhuǎn)速、線速度、角速度、線位移、角位移的一種傳感器，是利用碼盤將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成亮、暗光信號(hào)，再用各種光電器件的光電效應(yīng)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出?？梢哉f是一種最簡單的數(shù)字式傳感器，精度高且可靠，應(yīng)用非常廣泛。</p><p>　　編碼器有兩種形式:增量式編碼器和絕對(duì)編碼器。</p><p>　　(3) 限位開關(guān)</p><p>　　限位開關(guān)又稱行程開關(guān),可以安裝在相

40、對(duì)靜止的物體(如固定架、門框等，簡稱靜物)上或者運(yùn)動(dòng)的物體（如行車、門等，簡稱動(dòng)物）上。當(dāng)動(dòng)物接近靜物時(shí)，開關(guān)的連桿驅(qū)動(dòng)開關(guān)的接點(diǎn)引起閉合的接點(diǎn)分?jǐn)嗷蛘邤嚅_的接點(diǎn)閉合。由開關(guān)接點(diǎn)開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C(jī)構(gòu)的動(dòng)作。</p><p>　　限位開關(guān)也可分為旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)及直行限位開關(guān)。 </p><p><b>　　(4)運(yùn)動(dòng)控制器</b></p><

41、;p>　　1.3直線一級(jí)倒立擺機(jī)理建模 </p><p>　　在忽略了空氣阻力，各種摩擦之后，可將直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)，如下圖1.3所示。</p><p>　　我們不妨做以下假設(shè)： M 小車質(zhì)量 </p><p><b>　　m 擺桿質(zhì)量 </b></p><p><b>　　b

42、 小車摩擦系數(shù) </b></p><p>　　I 擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長度 </p><p><b>　　I 擺桿慣量 </b></p><p>　　F 加在小車上的力 </p><p><b>　　x 小車位置 </b></p><p>　　φ 擺桿與垂直向上

43、方向的夾角 </p><p>　　θ 擺桿與垂直向下方向的夾角（考慮到擺桿初始位置為豎直向下）</p><p>　　因?yàn)槲覀兊妮斎肓渴切≤嚨募铀俣龋敵隽渴切≤嚨慕嵌?，所以在這里我們僅對(duì)小車的加速度和位移進(jìn)行物理分析。</p><p>　　對(duì)擺桿垂直方向的合力進(jìn)行分析，得到下面的方程：</p><p><b>　　（1-1）<

44、/b></p><p>　　力矩平衡方程如下： (1-2)</p><p>　　因?yàn)棣?π+φ，cosφ= -cosθ，sinφ= -sinθ，故等式前面有負(fù)號(hào)。</p><p>　　將這個(gè)兩個(gè)方程進(jìn)行化簡合并，可以得到方程：</p><p><b>　　(1-3)</b></p>&

45、lt;p>　　設(shè)（是擺桿與垂直向上方向之間的夾角），假設(shè)與1（單位是弧度）相比很小，即«1，則可以進(jìn)行近似處理：cosφ=1 ，線性化后兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方程如下:</p><p><b>　　(1-4)</b></p><p>　　對(duì)方程組進(jìn)行拉普拉斯變換，得到 :</p><p><b>　　(1-5)</b>

46、</p><p>　　所以擺桿角度和小車位移的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(1-6)</b></p><p>　　由上式化簡可得出擺桿角度和小車加速度的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(1-7)</b></p><p>　　實(shí)際系統(tǒng)的模型參數(shù)如下: M

47、 小車質(zhì)量 1.096 Kg ，m 擺桿質(zhì)量 0.109 Kg ，b 小車摩擦系數(shù) 0 .1N/m/sec ，l 擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長度 0.2 5m ，I 擺桿慣量 0.0034 kg*m*m ，T 采樣頻率 0.005秒 。</p><p>　　將模型參數(shù)代入公式(1-7)可得：</p><p>　　1.4 Matlab仿真分析</p><p><b&

48、gt;　　Kp=150</b></p><p><b>　　程序：</b></p><p>　　num=[150*0.02725];</p><p>　　den=[0.0102125,0,-0.26705]; </p><p>　　bode (num,den)</p><p>　　ax

49、is('square');</p><p><b>　　grid on</b></p><p>　　title(' Bode圖')</p><p>　　xlabel('Re');ylabel ('Im')</p><p>　　二、串聯(lián)校正裝置的頻域設(shè)計(jì)&l

50、t;/p><p>　　2.1超前校正裝置的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　校正目標(biāo)如下：</b></p><p>　　1.設(shè)Kp≥0，相位裕量 400</p><p><b>　　令K=150</b></p><p>　　2.由伯德圖可知，原系統(tǒng)的 = 0°

51、，ωc =19.4s</p><p>　　=Δθ+ε=40°-0°+5°(ε取5°) </p><p>　　令 = ，按下式確定α，即 </p><p>　　為了充分利用超前網(wǎng)絡(luò)的相位超前特性，應(yīng)使校正后系統(tǒng)的截止頻率c正好在ωm處，即?。害豤=ωm。 </p><p>

52、;　　分析可知，ωm位于1/αT與1/T的幾何中點(diǎn)，求得：</p><p>　　而在ωm在點(diǎn)上G0(jω)的幅值應(yīng)為：</p><p>　　-10lg α= -7.65dB</p><p>　　3.從 原系統(tǒng)的伯德圖上，可求得</p><p>　　ωm=30.6rad/s</p><p><b>　　所以&l

53、t;/b></p><p>　　4.為了補(bǔ)償超前網(wǎng)絡(luò)造成的衰減，引入 倍的放大器 。得到超前校正裝置的傳遞函數(shù)</p><p>　　所以，校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　5.bode圖</b></p><p>　　num=[0.321686 4.0875];</p&g

54、t;<p>　　den=[0.00013787 0.0102125 -0.0036052 -0.26705]; </p><p>　　bode (num,den)</p><p>　　axis('square');</p><p><b>　　grid on</b></p><p>　　t

55、itle(' Bode圖')</p><p>　　xlabel('Re');ylabel ('Im')</p><p><b>　　計(jì)算機(jī)仿真：</b></p><p>　　num0=0.02725;</p><p>　　num1=[12 150];</p>

56、<p>　　num=conv(num0,num1); </p><p>　　den0=[0.0102125 0 -0.26705];</p><p>　　den1=[0.0135 1];</p><p>　　den=conv(den0,den1);</p><p>　　ga=tf(num,den);</p&

57、gt;<p>　　gb=feedback(ga,1,-1);</p><p>　　figure(1);</p><p>　　step(gb);grid;</p><p>　　figure(2);</p><p>　　margin(ga);grid;</p><p>　　超前校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)<

58、/p><p>　　超前校正后系統(tǒng)的Bode圖</p><p>　　=400 ，h=+dB，ωc 從19.41rad/s ,30.6rad/s曲線可得系統(tǒng)已穩(wěn)定。原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改善，滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　超前網(wǎng)絡(luò)是利用網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性，只要正確地將超前網(wǎng)絡(luò)的交接頻率1/ɑT和1/T選在待校正系統(tǒng)截止頻率的兩旁，并適當(dāng)選擇ɑ和T，就可以使已校正系

59、統(tǒng)的截止頻率和相角裕度滿足性能指標(biāo)的要求，從而改善閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。超前校正能使瞬態(tài)響應(yīng)得到顯著改善，穩(wěn)態(tài)精確度的改變則很小，它可以增強(qiáng)高頻噪聲效應(yīng)。</p><p>　　2.2倒立擺實(shí)時(shí)控制</p><p>　　直線一級(jí)倒立擺的頻率響應(yīng)控制</p><p><b>　　結(jié)果圖</b></p><p>　　Simuli

60、nk仿真圖</p><p>　　2.3校正裝置的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　Gc（s）= </b></p><p>　　滯后網(wǎng)絡(luò)是利用滯后網(wǎng)絡(luò)的高頻幅值</p><p>　　衰減特性，使已校正系統(tǒng)截止頻率下降，</p><p>　　從而使系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度。而由待校</p>

61、<p>　　統(tǒng)的相頻特性曲線可以看出，原系統(tǒng)相位</p><p>　　裕度為00 ，滯后補(bǔ)償無法對(duì)原系統(tǒng)提升</p><p>　　相位，補(bǔ)償后的相位裕度小于等于0°，</p><p>　　無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所以該系統(tǒng)無法使用</p><p>　　滯后補(bǔ)償。滯后校正使穩(wěn)態(tài)精確度得到顯</p><p>

62、;　　著提高，但瞬間響應(yīng)的時(shí)間卻隨之而增加。</p><p>　　滯后校正能抑制高頻噪聲信號(hào)的影響。</p><p>　　2.4滯后—超前校正裝置的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1.令k=100</b></p><p>　　=46°，ωc=18rad/s，因?yàn)橐?°的余量 ，可得 =

63、54° </p><p>　　=arcsin[（a-1）/（a+1）]，即54=arcsin[（a-1）/（a+1）],解得a=7.16。</p><p>　　2.1/Ta=0.1ωc ,得Ta=0.49</p><p>　　又-20lga+L’(ωc ’’)+

64、20lgTbωc ’’=0,解得Tb=0.5989，</p><p>　　3.-滯后校正器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　4.Matlab仿真分析：</p><p>　　num0=0.02725;</p><p>　　num1=[30 108.89 100];</p><p>　　num=conv(num0,num1

65、); </p><p>　　den0=[0.0102125 0 -0.26705];</p><p>　　den1=[0.3224 4.11 1];</p><p>　　den=conv(den0,den1);</p><p>　　ga=tf(num,den);</p><p>　　gb=feedb

66、ack(ga,1,-1);</p><p>　　figure(1);</p><p>　　step(gb);grid; </p><p>　　figure(2); </p><p>　　margin(ga);gr

67、id;</p><p><b>　　Matlab仿真圖</b></p><p><b>　　2.5.小結(jié)</b></p><p>　　由于原系統(tǒng)的相位裕度是0°，滯后補(bǔ)償無法對(duì)原系統(tǒng)提升相位。所以滯后不能滿足要求。而超前，超前-滯后兩種方法均能滿足要求。比較這兩周方法，會(huì)發(fā)現(xiàn)雖然超前-滯后的穩(wěn)定性沒有超前好，但是

68、他的響應(yīng)速度變快了，而且控制精度也比超前要好，這兩種方法各有個(gè)優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮超前-滯后更好一些。</p><p>　　1.超前校正是利用相位超前的特性，獲得所需要的結(jié)果；滯后校正是利用其高頻衰減特性，獲得所要的結(jié)果。而滯后—超前是兼有兩者的特性，從而達(dá)到要求的。</p><p>　　2.超前校正一般用來改善穩(wěn)定裕度。它有可能提供更高的增益交接頻率。比較高的增益交接頻率意味著比較大的帶寬，大

69、的帶寬意味著調(diào)整時(shí)間的減少。因此，如果需要大的帶寬，或者說具有快速的響應(yīng)特性，應(yīng)當(dāng)采用超前校正。但它需要一個(gè)附加的增益增量，以補(bǔ)償超前網(wǎng)絡(luò)本身的衰減。</p><p>　　3.需要獲得快速響應(yīng)特性，又需要獲得良好的穩(wěn)態(tài)精度，則可以采用滯后—超前校正裝置。通過應(yīng)用滯后—超前校正裝置，低頻增益增大，改善了穩(wěn)態(tài)精度，也增大了系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定裕度。</p><p>　　三.PID控制器的設(shè)計(jì)<

70、;/p><p>　　3.1PID控制系統(tǒng)圖：</p><p>　　3.2PID控制器的控制規(guī)律：</p><p>　　將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故</p><p>　　稱PID控制器。其控制規(guī)律為</p><p>　　或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式</p>&

71、lt;p>　　式中：——比例系數(shù)；——積分時(shí)間常數(shù)；——微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　3.3程序掃描法得到合適的kp、ki、kd</p><p>　　Matlab程序清單：</p><p>　　t=0:0.01:10;</p><p>　　for kp=70:1:150</p><p>　　for ki=8

72、0:1:120</p><p>　　for kd=5:1:20</p><p>　　numpid=[kd kp ki];</p><p>　　denpid=[1 0];</p><p>　　num=[0.02725];</p><p>　　den=[0.0102125 0 -0.26705];</p>&

73、lt;p>　　numc=conv(num,numpid);</p><p>　　d1=conv(denpid,den);</p><p>　　sys=tf(numc,d1);</p><p>　　sys1=feedback(sys,1,-1);</p><p>　　y=step(sys1,t);</p><p>

74、<b>　　s=501;</b></p><p>　　while y(s)>0.98 & y(s)<1.02;</p><p><b>　　s=s-1;</b></p><p><b>　　end;</b></p><p>　　ts =(s-1)*0.01&

75、lt;/p><p><b>　　if ts <1</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>

76、　　if ts <1</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　if ts <1</b></p

77、><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　figure(1);</p><p>　　step(sys1,t);</p><p&g

78、t;<b>　　grid</b></p><p>　　title('PID單位階躍響應(yīng)')</p><p>　　xlabel('時(shí)間')</p><p>　　ylabel('幅值')</p><p>　　sol=[kp;ki;kd;ts]</p><p&

79、gt;<b>　　kp</b></p><p><b>　　ki</b></p><p><b>　　kd</b></p><p><b>　　ts</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><

80、;p><b>　　kp=70,；</b></p><p><b>　　ki=110；</b></p><p>　　kd=8，settling time=0.995</p><p><b>　　計(jì)算機(jī)仿真：</b></p><p>　　num0=0.02725;</p

81、><p>　　num1=[8 70 110];</p><p>　　num=conv(num0,num1); </p><p>　　den=[0.0102125 0 -0.26705 0];</p><p>　　ga=tf(num,den);</p><p>　　gb=feedback(ga,1,-1)

82、;</p><p>　　figure(1);</p><p>　　step(gb);grid;</p><p>　　figure(2);</p><p>　　margin(ga);grid;</p><p>　　PID參數(shù)掃描階躍響應(yīng)圖</p><p>　　3.4 PID的控制器的設(shè)計(jì)：<

83、/p><p>　　一級(jí)倒立擺比例控制器控制下小車位移與擺桿角度</p><p>　　Simulink仿真圖</p><p><b>　　3.5小結(jié)</b></p><p>　　通過課后驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)P和PI不能讓擺桿豎立起來，她們無法滿足要求，然而通過驗(yàn)證PD和PID發(fā)現(xiàn)，兩者都能將擺桿豎立起來，但是比較這兩種方法時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)PID控

84、制比PD控制多一個(gè)零點(diǎn)，阻尼比就變大了，同時(shí)抑制系統(tǒng)的震蕩，系統(tǒng)自然就更穩(wěn)定了，所以，PID控制更好！（以上就是選用PID控制的，P、PI、PD都不行?。?lt;/p><p><b>　　四、經(jīng)濟(jì)性分析</b></p><p><b>　　4.1市場(chǎng)分析</b></p><p>　　倒立擺系統(tǒng)有著很強(qiáng)的市場(chǎng)環(huán)境,主要體現(xiàn)在:&

85、lt;/p><p>　　(l)機(jī)器人的站立與行走類似于雙倒立擺系統(tǒng),盡管第一臺(tái)機(jī)器人在美國問世至今已有三十年的歷史,機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù))機(jī)器人的行走控制至今仍未能很好解決"</p><p>　　(2)在火箭等飛行器的飛行過程中為了保持其正確的姿態(tài)要不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)控制"</p><p>　　(3)通信衛(wèi)星在預(yù)先計(jì)算好的軌道和確定的位置上運(yùn)行的同時(shí)要保持其穩(wěn)

86、定的姿態(tài)使衛(wèi)星天線一直指向地球使它的太陽能電池板一直指向太陽"</p><p>　　(4)偵察衛(wèi)星中攝像機(jī)的輕微抖動(dòng)會(huì)對(duì)攝像的圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響,為了提高攝像的質(zhì)量必須能自動(dòng)地保持伺服云臺(tái)的穩(wěn)定消除震動(dòng)"</p><p>　　(5)為防一止單級(jí)火箭在拐彎時(shí)斷裂而誕生的柔性火箭(多級(jí)火箭)其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級(jí)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行研究。</p><

87、p>　　由于控制理論的廣泛應(yīng)用,由此系統(tǒng)研究產(chǎn)生的方法和技術(shù)將在半導(dǎo)體及精密儀器加工、機(jī)器人控制技術(shù)、人工智能、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、航空對(duì)接控制技術(shù)、火箭發(fā)射中的垂直度控制、雙足機(jī)器人火箭飛行控制、伺服云臺(tái)穩(wěn)定、衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制和一般工業(yè)應(yīng)用等方面具有廣闊的利用開發(fā)前景“因此對(duì)倒立擺控制機(jī)理的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義”。</p><p><b>　　4.2市場(chǎng)運(yùn)作</b><

88、/p><p>　　目前有關(guān)倒立擺的研究主要集中在亞洲,如中國的北京師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國科技大學(xué),日本的東京工業(yè)大學(xué)、東京電機(jī)大學(xué),東京大學(xué)。韓國的釜山大學(xué)、忠南大學(xué),此外,俄羅斯的圣彼得堡大學(xué)、美國的東佛羅里達(dá)大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院、波蘭的波茲南技術(shù)大學(xué)、意大利的佛羅倫薩大學(xué)也都對(duì)這個(gè)領(lǐng)域有持續(xù)的研究。近年來,雖然各種新型倒立擺不斷問世,但是可自主研發(fā)并生產(chǎn)倒立擺裝置的廠家卻并不多。目前,國內(nèi)各高?；旧隙疾?/p>

89、用香港固高公司和加拿大Quanser公司生產(chǎn)的系統(tǒng);其它一些生產(chǎn)廠家還包括(韓國)奧格斯科技發(fā)展有限公司(FT-4820型倒立擺)、保定航空技術(shù)實(shí)業(yè)有限公司。 </p><p><b>　　4.3成本分析</b></p><p>　　交流流伺服電機(jī)：松下伺服電機(jī)A 系列（型號(hào)：MSMA022A1C） 價(jià)格：4000</p><p>　　松下伺

90、服電機(jī)A4系列（型號(hào)： MSMD022P1U）價(jià)格：3000左右</p><p>　　松下伺服電機(jī)A5系列（型號(hào)： MSMD022G1U）價(jià)格：2500左右</p><p>　　相比較而言，松下A5系列伺服電機(jī)更有優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比更高。特點(diǎn)：快速、智能、輕便、放心、便利。</p><p>　　角編碼器（型號(hào)：OVW2-02-2MD）價(jià)格：520左右</p>

91、<p>　　限位開關(guān)：材料：塑料 型號(hào)：EE-SX386M 671A 價(jià)格：2元/個(gè)</p><p>　　機(jī)床護(hù)線拖鏈：材料：橡膠 長度80cm 寬3cm 價(jià)格25元/條左右</p><p>　　同步帶：材料：橡膠 價(jià)格：10元/條 </p><p>　　同步輪：材料：不銹鋼 價(jià)格：20元/個(gè)</p><p>

92、　　滑 竿：材料：不銹鋼 長75cm 直徑1.5cm 價(jià)格：25元/根 需要兩根</p><p>　　擺 桿：材料：鋁合金 長50cm 直徑1cm 價(jià)格： 50元/根</p><p>　　底 座：材料：不銹鋼 尺寸：1000x215x40mm 價(jià)格：100元</p><p>　　小 車：材料：鋁合金 質(zhì)量：1

93、.096Kg 價(jià)格：200元</p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制器： 價(jià)格：6300元左右</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1.《綜合課程設(shè)計(jì)A任務(wù)書》.盛沙、戴波.北京石油化工學(xué)院</p><p>

94、;　　2.《自動(dòng)控制原理》第五版. 胡壽松. 科學(xué)出版社</p><p>　　3. 金傳偉.基于遺傳算法的PID參數(shù)優(yōu)化與仿真[J].微計(jì)算機(jī)信息，2002，18(7) ：72-73.</p><p>　　4. 黃忠霖．控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2006．</p><p>　　5. GT系列運(yùn)動(dòng)控制器用戶手冊(cè): 固高科技（深圳）有限

95、公司</p><p>　　6.倒立擺與自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn): 固高科技（深圳）有限公司</p><p>　　7. 趙世敏. 控制理論專題實(shí)驗(yàn)指示書: 清華大學(xué)自動(dòng)化系, 2007</p><p>　　8. 薛安克,王俊宏,柴利,等.倒立擺控制仿真與試驗(yàn)研究現(xiàn)狀[J].杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 3(1): 37-41.</p><p>　

96、　9. 羅晶,陳平.一階倒立擺的PID控制[ J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2005, 24 (11): 26-28.</p><p>　　10. 叢爽,張冬軍,魏衡華.單級(jí)倒立擺三種控制方法的對(duì)比研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2001, 23(11): 47-49.</p><p>　　11. 王孝莉,張麗婷,楊西俠.單級(jí)倒立擺的兩種控制方法的仿真研究[ J].信息技術(shù)與信息化, 200

97、6(4): 137-139.</p><p>　　12.《Matlab原理與工程應(yīng)用》.【美】Edward B.Magrab.電子工業(yè)出版社。</p><p>　　13. 《現(xiàn)代控制工程》第四版.【美】Katsuhiko Ogata. 電子工業(yè)出版社。</p><p>　　14. 《Matlab及其在電路與控制理論中的應(yīng)用》.陳小平、李長杰.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社&

98、lt;/p><p>　　本實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)過程中參考了上述文獻(xiàn)資料，同時(shí)感謝戴波、盛沙老師等的指導(dǎo)，以及學(xué)校圖書館的珍貴文獻(xiàn)，在這表示非常感謝！</p><p><b>　　體 會(huì)</b></p><p>　　為期兩周的一級(jí)倒立擺課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束！在這快樂的兩周里，我與我的小組同學(xué)學(xué)到了在課堂上難以學(xué)到的知識(shí)，在這里，我們自己動(dòng)手將理論與實(shí)踐相結(jié)合，將

99、課堂上所學(xué)的自動(dòng)控制原理的知識(shí)運(yùn)用到倒立擺的實(shí)際操作當(dāng)中，讓我們對(duì)自動(dòng)控制原理和倒立擺的知識(shí)能加靈活運(yùn)用并且有了更深層的理解。在接下來的兩周就充分的體現(xiàn)出來了，在第一周里，根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，我們將第六章關(guān)于線性系統(tǒng)的校正方法自學(xué)了一遍，剛開始不是很明白，但通過對(duì)老師以及學(xué)生的詢問，很快的學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)超前-滯后，滯后-超前的傳遞函數(shù)，以及PID控制器的設(shè)計(jì)，基本理解了課程設(shè)計(jì)的任務(wù)，很快明確了各自的分工，很好的學(xué)會(huì)了各自在小組中發(fā)揮的作

100、用。</p><p>　　此次課程的設(shè)計(jì)讓我們深刻的明白了光靠理論往往是行不通的，很多東西看起來會(huì)，一旦手動(dòng)操作，就完全不知道怎么操作了，這使我們深深明白了只有將理論與實(shí)踐相結(jié)合，才能真正的創(chuàng)造出有意義的價(jià)值，學(xué)習(xí)是一個(gè)循環(huán)漸進(jìn)的過程，要善于在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題，從理論中得出結(jié)果，這樣的學(xué)習(xí)才能變得更有意義，實(shí)踐還能學(xué)到我們?cè)诶碚撝袑W(xué)不到的知識(shí)，拓寬自己的知識(shí)面。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們通過對(duì)系統(tǒng)機(jī)理建模，得到了系統(tǒng)的

101、傳遞函數(shù)，進(jìn)而再用matlab進(jìn)行仿真，在此之前從未接觸過，但是面對(duì)圖時(shí)，不知道如何利用該圖，這也暴露出我們的不足，但是隨著知識(shí)的慢慢積累以及學(xué)會(huì)分析并加以利用了。但是一旦接觸新的東西時(shí)，我們又不知從何入手了，課程設(shè)計(jì)或許就是針對(duì)這樣的問題而存在的，只要愿意去學(xué)，敢于去追問，不懂就問老師，查資料！彌補(bǔ)自身純存在的各種不足，不斷地去完善自己！</p><p>　　通過對(duì)此次課程的設(shè)計(jì)，我們學(xué)會(huì)了對(duì)一些軟件的運(yùn)用，尤

102、其學(xué)會(huì)對(duì)matlab的使用，其實(shí)這軟件很早就開始使用，像美國已經(jīng)把matlab當(dāng)成一門必修課，我們國家現(xiàn)在也在慢慢普及，借這次機(jī)會(huì)可以很好的學(xué)習(xí)對(duì)matlab的利用，學(xué)到了許多命令、函數(shù)功能和編譯方法，尤其是SIMULINK在matlab中的運(yùn)用，在很多領(lǐng)域中有著重要的運(yùn)用，我們很高興能夠在這次課程中接觸到matlab軟件。</p><p>　　現(xiàn)在，我們基本能夠熟練的運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行各種仿真了，只是在程

103、序設(shè)計(jì)方面有著嚴(yán)重的不足，一些命令，函數(shù)功能，編譯不能完全理解！只能按照一些前輩們的程序進(jìn)行一些改動(dòng)，程序設(shè)計(jì)方面存在缺陷，但它對(duì)自動(dòng)控制原理的學(xué)習(xí)與實(shí)踐以及今后相關(guān)的學(xué)習(xí)奠定了很好的基礎(chǔ)。課程設(shè)計(jì)的過程，模式也為我積攢了很多控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和能力。此次課程設(shè)計(jì)對(duì)我們有著重大意義，是其它學(xué)習(xí)過程中無法取代，讓我們學(xué)會(huì)許多手動(dòng)實(shí)踐能力！最后，感謝戴波，盛沙老師對(duì)我們的大力指導(dǎo)，感謝各位小組成員的大力相助，才能使此次課程設(shè)計(jì)完成。<