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倒立摆控制系统实验.ppt

倒立摆控制系统实验.ppt

哈和啊 2010-05-24 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《倒立摆控制系统实验ppt》,可适用于工程科技领域,主题内容包含倒立摆控制系统实验倒立摆控制系统实验一、查阅倒立摆相关文献一、查阅倒立摆相关文献要求:掌握单级倒立摆数学模型的建立过程理解当前单级倒立摆的基本控制方符等。

倒立摆控制系统实验倒立摆控制系统实验一、查阅倒立摆相关文献一、查阅倒立摆相关文献要求:掌握单级倒立摆数学模型的建立过程理解当前单级倒立摆的基本控制方法了解倒立摆控制技术的现状和未来发展趋势二、倒立摆系统简介二、倒立摆系统简介倒立摆式机器人技术、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倒立摆实验设备。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粳米仪器加工、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。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。三、倒立摆分类三、倒立摆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: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。直线倒立摆系列产品如图所示。图直线倒立摆系列图直线倒立摆系列2、环形倒立摆系列环形倒立摆是在圆周运动模块上装有摆体组件圆周运动模块有一个自由度可以围绕齿轮中心做圆周运动在运动手臂末端装有摆体组件根据摆体组件的级数和串连或并联的方式可以组成很多形式的倒立摆。如图所示。图环形倒立摆系列图环形倒立摆系列3、平面倒立摆系列平面倒立摆是在可以做平面运动的运动模块上装有摆杆组件平面运动模块主要有两类:一类是XY运动平台另一类是两自由度SCARA机械臂摆体组件也有一级、二级、三级和四级很多种。如图所示图平面倒立摆系列图平面倒立摆系列4、复合倒立摆系列复合倒立摆为一类新型倒立摆由运动本体和摆杆组件组成其运动本体可以很方便的调整成三种模式一是)中所述的环形倒立摆还可以把本体翻转度连杆竖直向下和竖直向上组成托摆和顶摆两种形式的倒立摆。按倒立摆的级数来分:有一级倒立摆、两级倒立摆、三级倒立摆和四级倒立摆一级倒立摆常用于控制理论的基础实验多级倒立摆常用于控制算法的研究倒立摆的级数越高其控制难度更大目前可以实现的倒立摆控制最高为四级倒立摆。图复合倒立摆图复合倒立摆四、倒立摆的特性四、倒立摆的特性虽然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1、非线性1、非线性倒立摆是一个典型的非线性复杂系统实际中可以通过线性化得到系统的近似模型线性化处理后再进行控制。也可以利用非线性控制理论对其进行控制。倒立摆的非线性控制正成为一个研究的热点。2、不确定性2、不确定性主要是模型误差以及机械传动间隙各种阻力等实际控制中一般通过减少各种误差来降低不确定性如通过施加预紧力减少皮带或齿轮的传动误差利用滚珠轴承减少摩擦阻力等不确定因素。3、耦合性3、耦合性倒立摆的各级摆杆之间以及和运动模块之间都有很强的耦合关系在倒立摆的控制中一般都在平衡点附近进行解耦计算忽略一些次要的耦合量。4、开环不稳定性4、开环不稳定性倒立摆的平衡状态只有两个即在垂直向上的状态和垂直向下的状态其中垂直向上为绝对不稳定的平衡点垂直向下为稳定的平衡点。5、约束限制5、约束限制由于机构的限制如运动模块行程限制电机力矩限制等。为了制造方便和降低成本倒立摆的结构尺寸和电机功率都尽量要求最小行程限制对倒立摆的摆起影响尤为突出容易出现小车的撞边现象。五、实验内容和目的五、实验内容和目的PID控制器实物控制实验PID控制器实物控制实验了解selferect问题的控制目的与实际应用价值。利用数字倒立摆系统通过PID控制器对selferect问题进行实物控制实验。通过调整PID控制器的参数使倒立摆在竖起后保持稳定。分析PID控制器各个参数对系统稳定性和响应过程的影响。LQ控制器仿真实验LQ控制器仿真实验了解crane问题的控制目的。利用数字倒立摆系统中的MATLAB工具箱进行仿真实验。通过LQ(linearquadratic)控制器对crane问题对倒立摆模型进行仿真实验。理解LQ控制器的原理和设计方法,分析控制参数对系统稳定性和响应过程的影响。六、控制器设计方法六、控制器设计方法控制器的设计是倒立摆系统等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目前典型的控制器设计理论有:PID控制、根轨迹以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论、模糊控制理论、神经网络控制、拟人智能控制、鲁棒控制方法、自适应控制以及这些控制理论的相互结合组成更加强大的控制算法。、直线一级倒立摆PID控制实验、直线一级倒立摆PID控制实验本实验的目的是让实验者理解并掌握PID控制的原理和方法并应用于直线一级倒立摆的控制PID控制并不需要对系统进行精确的分析因此我们采用实验的方法对系统进行控制器参数的设置。PID控制基本原理及分析PID控制基本原理及分析经典控制理论的研究对象主要是单输入单输出的系统控制器设计时一般需要有关被控对象的较精确模型。PID控制器因其结构简单容易调节且不需要对系统建立精确的模型在控制上应用较广。首先对于倒立摆系统输出量为摆杆的角度它的平衡位置为垂直向上的情况。系统控制结构框图如下:     图5 直线一级倒立摆闭环系统图图中KD(s)是控制器传递函数G(s)是被控对象传递函数。考虑到输入r(s)=结构图可以很容易的变换成:图6 直线一级倒立摆闭环系统简化图该系统的输出为:其中num被控对象传递函数的分子项den被控对象传递函数的分母项numPIDPID控制器传递函数的分子项denPIDPID控制器传递函数的分母项通过分析上式就可以得到系统的各项性能。由()可以得到摆杆角度和小车加速度的传递函数:PID控制器的传递函数为:  需仔细调节PID控制器的参数以得到满意的控制效果。MATLAB版实验软件下的实验步骤:MATLAB版实验软件下的实验步骤:)打开直线一级倒立摆PID控制界面如图所示:(进入MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”打开“InvertedPendulumLinearInvertedPendulumLinearStageIPExperimentPID Experiments”中的“PIDControlDemo”)图7 直线一级倒立摆MATLAB实时控制界面)双击“PID”模块进入PID参数设置如下图所示:把仿真得到的参数输入PID控制器点击“OK”保存参数。)点击 编译程序完成后点击 使计算机和倒立摆建立连接。)点击 运行程序检查电机是否上伺服如果没有上伺服请参见直线倒立摆使用手册相关章节。缓慢提起倒立摆的摆杆到竖直向上的位置在程序进入自动控制后松开当小车运动到正负限位的位置时用工具挡一下摆杆使小车反向运动。)实验结果如下图所示:修改PID控制参数观察控制结果的变化。通过不断修改PID参数最终得到一个满足要求的系统。请将计算步骤、仿真和实验结果完整记录并按照下一章节要求完成实验报告。线性二次最优控制LQR控制实验线性二次最优控制LQR控制实验本实验的主要内容是让实验者了解并掌握线性二次最优控制LQR控制的原理和方法并对直线一级倒立摆进行控制实验。线性二次最优控制LQR基本原理及分析线性二次最优控制LQR基本原理及分析线性二次最优控制LQR基本原理为由系统方程:确定下列最佳控制向量的矩阵K:使得性能指标达到最小值:式中Q正定(或正半定)厄米特或实对称阵  R为正定厄米特或实对称阵图8 最优控制LQR控制原理图方程右端第二项是考虑到控制能量的损耗而引进的矩阵Q和R确定了误差和能量损耗的相对重要性。并且假设控制向量u(t)是无约束的。对线性系统:根据期望性能指标选取Q和R利用MATLAB命令lqr就可以得到反馈矩阵K的值。改变矩阵Q的值可以得到不同的响应效果Q的值越大(在一定的范围之内)系统抵抗干扰的能力越强调整时间越短。直线一级倒立摆LQR控制实验操作步骤:直线一级倒立摆LQR控制实验操作步骤:)打开直线一级倒立摆LQR实时控制模块(进入MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”打开“InvertedPendulumLinearInvertedPendulumLinearStageIPExperimentLQR Experiments”中的“LQRControlDemo”)其中“LQRController”为LQR控制器模块  “RealControl”为实时控制模块双击“LQRController”模块打开LQR控制器参数设置窗口如下:)点击 编译程序编译成功后点击“ ”连接再点击“ ”运行程序在确认点击上伺服后缓慢的提起摆杆到竖直向上的位置程序进入自动控制后松开摆杆。)实验运行结果如下图所示:其中图片上半部分为小车的位置曲线下半部分为摆杆角度的变化曲线从图中可以看出在给定外界干扰后小车可以在秒内回到平衡位置。达到了较好的控制效果。)改变Q矩阵的值Q和Q再把仿真得到的LQR控制参数输入实时控制程序运行实时控制程序观察控制效果的变化。请将计算步骤、仿真和实验结果完整记录并按照下一章节要求完成实验报告。七、实验报告要求七、实验报告要求请将计算步骤仿真和实验结果记录并完成实验报告。实验报告需要详细分析实验者所设计的倒立摆控制方案。实验报告需包括系统参数、实验数据、仿真结果、结果分析等。实验注意事项实验注意事项在操作直线倒立摆系列产品前按下电源开关并确认伺服电源被切断伺服电源切断后电源指示灯熄灭。在倒立摆运行出现异常情况下若不能及时关断电源则可能造成人身伤害或设备损坏。在紧急停止后请排除故障后再打开电源。开始运行前倒立摆必须置于初始状态。非实验人员请勿操作倒立摆否则有可能引发人身伤害或设备损坏在进行倒立摆实验时请遵守以下事项:在进行倒立摆实验时请遵守以下事项:保持从倒立摆正面观看或操作。遵守操作顺序。考虑倒立摆失控等突变状况的应急方案。确保设置躲避场所以防万一。在实验过程中遇以下的情况请确认倒立摆危险范围内无人并且实验人员处于安全操作位置。电源接通时。操作倒立摆时。自动运行时。不慎进入倒立摆运动范围内或与机器接触都可能引发人身安全事故当出现异常时请立即关断电源。进行倒立摆实验前请检查以下事项有异常则及时修理或采取其他必要措施:倒立摆动作有无异常。电源接线和信号线有无破损。电源接线和信号线接头是否接触良好。实验完毕后请将倒立摆置于初始状态。

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