倒立摆实验系统的设计与研究

发布时间：2020-11-14 10:06

　　 倒立摆是一种复杂、时变、非线性、强耦合、自然不稳定的高阶系统，许多抽象的控制理论概念都可以通过倒立摆实验直观的表现出来，是控制理论方面课程的新型教学实验设备，也是进行控制理论研究的很好的实验平台。论文对倒立摆系统进行了建模和仿真，完成了一级倒立摆系统机械部分、运动控制模块及教学实验软件的设计，实现了这三部分的联合调试，并在此基础上实现了倒立摆的自起和倒立平衡控制。 用Solidworks完成了倒立摆机械结构的三维实体建模，并对系统进行了干涉检查、虚拟装配、工程图生成。将生成的机械模型导入虚拟样机软件ADAMS中，结合控制软件Matlab／Simulink完成了倒立摆系统虚拟样机的联合仿真，验证了系统的可行性。 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等主要部件进行了比较选择。确定了以交流伺服电机、增量式光电编码器和基于DSP技术的运动控制器为主要硬件组合。所选的运动控制器具有良好的性能，从而提高了系统的控制精度。 设计了教学实验系统总体的程序流程框图，软件系统使用C语言编写。其中倒立摆自起采用能量控制算法实现；倒立平衡控制部分应用线性最优控制算法和PID算法实现。用该软件可以实现数据采集、控制率计算、控制输出、数据显示、曲线显示、动画显示等功能。 对机械部分、控制硬件部分和教学实验软件部分进行了联合调试，并对能量控制算法和线性最优控制算法在该系统进行了验证，实现了一级倒立摆系统自起和倒立平衡控制。摆杆角度稳态误差≤1.7°，达到了较好的水平。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2006
【中图分类】：TH122
【文章目录】：
独创性说明
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 倒立摆系统概述
    1.2 控制理论的发展及其在倒立摆控制系统中的应用
    1.3 课题研究内容和意义
        1.3.1 课题研究内容
        1.3.2 课题意义
2 倒立摆系统基本参数的确定
    2.1 倒立摆系统基本结构
    2.2 倒立摆数学模型
    2.3 倒立摆控制算法
        2.3.1 PID控制算法
        2.3.2 线性二次型最优控制
    2.4 倒立摆基于MATLAB/Simulink的仿真
        2.4.1 系统模型的建立
        2.4.2 仿真分析
3 虚拟样机技术在倒立摆设计中的应用
    3.1 倒立摆机械系统的设计
        3.1.1 SolidWorks软件简介
        3.1.2 机械部分总体设计
        3.1.3 小车部分设计
        3.1.3 轨道支座设计
        3.1.4 传动部分设计
        3.1.5 机械系统整体装配
    3.2 倒立摆机械和控制系统联合仿真
        3.2.1 仿真方法
        3.2.2 机械模型导入ADAMS
        3.2.3 仿真并分析结果
4 控制系统的选择与设计
    4.1 控制系统部件选择
        4.1.1 电机选择
        4.1.2 位置传感器
        4.1.3 运动控制模块
    4.2 运动控制器的应用
    4.3 运动控制器外围接口
    4.4 运动控制器的指令系统
        4.4.1 指令格式
        4.4.2 指令分类
5 系统软件设计与调试
    5.1 实时系统设计
        5.1.1 采样周期选择
        5.1.2 时间中断实现
    5.2 倒立摆系统控制算法实现
        5.2.1 状态转换控制器设计
        5.2.2 倒立摆自起算法实现
        5.2.3 倒立摆倒立平衡控制控制算法实现
    5.3 安全检测
    5.4 汉字处理
    5.5 实验软件界面
    5.6 系统调试
结论
参考文献
附录A: 倒立摆机械设计工程图
附录B: 实验软件程序设计
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
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【引证文献】

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本文编号：2883358