倒立摆实验报告

倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟1目录一、倒立摆系统介绍…………………………………………21.1倒立摆系统简介……………………………………………21.2倒立摆组成及其原理………………………………………21.3倒立摆特性…………………………………………………3二、一级倒立摆………………………………………………32.1一级倒立摆建模……………………………………………32.2一级倒立摆控制方法……………………………………112.2.1单输入—单输出控制方法……………………………11超前滞后控制方法2.2.2单输入—多输出控制方法……………………………22双PID控制方法2.2.3多输入—多输出控制方法……………………………30极点配置法二次线性最优控制法三、二级倒立摆……………………………………………363.1二级倒立摆建模……………………………………………363.2二级倒立摆控制方法……………………………………463.2.1二次线性最优控制法…………………………………463.2.2基于融合技术的模糊控制法…………………………48四、总结……………………………………………………60五、参考文献………………………………………………63倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟2一、倒立摆系统介绍1.1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。平面倒立摆可以比较真实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。1.2倒立摆组成及其原理倒立摆的组成包括计算机、运动控制卡、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，组成一个闭环系统。对于直线型倒立摆，可以根据伺服电机自带的码盘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；各个摆杆的角度由光电码盘测得并直接反馈到控制卡，速度信号可以通过差分方法得到。计算机从运动控制卡中实时读取数据，确定控制策略（电机的输出力矩），并发送给运动控制卡。运动控制卡经过DSP内部的控制算法实现该控制决策，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。倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟3倒立摆控制原理的结构图如下：1.3倒立摆的特性倒立摆都具有以下的特性: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。二、一级倒立摆2.1一级倒立摆建模对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的系统，实验建模存在一定的困难。但是忽略掉一些次要的因素后，倒立摆系统就是一个典型的运动的刚体系统，可以在惯性坐标系内应用经典力学理论建立系统的动力学方程。下面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。2.1.1牛顿力学方法建立模型在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟4匀质杆组成的系统，如图所示。我们不妨做以下假设：符号符号说明M小车质量m摆杆质量b小车摩擦系数l摆杆转动轴心到杆质心的长度I摆杆惯量F加在小车上的力x小车位置摆杆与垂直向上方向的夹角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）图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所示，图示方向为矢量正方向。分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟5NxbFxM（2-1）由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：)sin(22lxdtdmN（2-2）即：sincos2mlmlxmN（2-3）把这个代入上式中，就得到了第一个运动方程：FmlmlxbxmMsincos)(2（2-4）为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆竖直方向上的合力进行分析，得到下面的方程)cos(22ldtdmmgP（2-5）cossin2mlmlmgP（2-6）力矩平衡方程如下：INlPlcossin（2-7）注意：此方程中力矩的方向，由于，coscos，sinsin，故等式前面有负号。合并两个方程，约去P和N，得到第二个运动方程：cossin)(2xmlmglmlI（2-8）设（是摆杆与垂直向上方向之间的夹角），假设与1（单位是弧度）相比很小，即1，则可以进行近似处理：1cos，sin，0)(2dtd。用u来代表被控对象的输入力F，线性化后得到两个运动方程如下：对上式进行拉普拉斯变换，得到：倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟6注意：推导传递函数时假设初始条件为0。由于输入为角度，求解方程组的第一个方程，可以得到：)(][)(22ssgmlmlIsX如果令xv，则有：mglsmlImlsVs22)()()(把上式代入方程组的第二个方程，得到：)()()()()(2222sUssmlsssgmlmlIbsssgmlmlImM整理后得到传递函数：sqbmglsqmglmMsqmlIbssqmlsUs23242)()()()(其中22)())((mlmlIMmq设系统状态空间方程为：方程组对x，解代数方程，整理后得到状态空间方程为：uMmlmMImlMmlmMImlIxxMmlmMImMmglMmlmMImlbMmlmMIglmMmlmMIbmlIxx2222222222)(0)(00)()()(010000)()()(00010倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟7uxxxy0001000001由方程组的第一个方程为：xmlmglmlI)(2对于质量均匀分布的摆杆有：231mlI于是可以得到：xmlmglmlml)31(22化简得到：xllg4343设},,,{xxX，xu'则有：ulxxlgxx4301004300100000000010uxxxy0001000001倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟82.1.2系统物理参数实际系统的模型参数如下;符号符号说明具体数值M小车质量1.096Kgm摆杆质量0.109Kgb小车摩擦系数0.1N/m/secl摆杆转动轴心到杆质心的长度0.25mI摆杆惯量0.0034Kg*m*m2.1.3实际系统模型把上述参数带入，可以得到系统的实际模型。摆杆角度和小车位移传递函数：26705.00102125.002725.0)()(22sssXs摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为;26705.00102125.002725.0)()(2ssVs摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：sssssUs30942.20883167.035655.2)()(232以小车加速度作为输入的系统状态方程：uxxxx301004.2900100000000010uxxxy0001000001倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟92.1.4系统可控性分析对于连续时间系统：BuAXXDuCXy系统状态完全可控的条件为：当且仅当向量组B,AB,...,An−1B是线性无关的，或nn维矩阵BAABBn1的秩为n。系统的输出可控性的条件为：当且仅当矩阵DBCABCACABCBn12的秩等于输出向量y的维数应用以上原理对系统可控性分析，04.2900100000000010A3010B01000001C00D代入上式，并在MATLAB中计算：clear;A=[0100;0000;0001;0029.40];B=[0103]';C=[1000;0100];D=[00]';cona=[BA*BA^2*BA^3*B];cona2=[C*BC*A*BC*A^2*BC*A^3*BD];rank(cona)rank(cona2)倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟10可以得到：ans=4ans=2可以看出，系统的状态完全可控性矩阵的秩等于系统的状态变量维数，系统的输出完全可控性矩阵的秩等于系统输出向量y的维数，所以系统可控，因此可以对系统进行控制器的设计，使系统稳定。2.1.5系统阶跃响应分析上面已经得到系统的状态方程，先对其进行阶跃响应分析，在MATLAB中键入以下命令：clear;A=[0100;0000;0001;0029.40];B=[0103]';C=[1000;0100];D=[00]';step(A,B,C,D)得到如下计算结果：可以看出，在单位阶跃响应作用下，小车位置和摆杆角度都是发散的。倒立摆控制实验钟辉胡登军吕江伟112.2一级倒立摆控制方法2.2.1单输入—单输出控制方法频率响应超前-滞后控制方法系统对正弦输入信号的响应，称为频率响应。在频率响应方法中，我们在一定范围内改变输入信号的频率，研究其产生的响应。频率响应可以采用以下三种比较方便的方法进行分析，一种为伯德图或对数坐标图，伯德图采用两幅分离的图来表示，一幅表示幅值和