固高科技《倒立摆与自动控制原理实验》

1GoogolTechnology倒立摆与自动控制原理实验V2.0固高科技（深圳）有限公司二○○五年©Googol2005固高科技（深圳）有限公司GOOGOLTECHNOLOGY(SHENZHEN)LTD©Googol2005I版版权权声声明明固高科技（深圳）有限公司保留所有版权固高科技有限公司（以下简称固高科技）具有本产品及其软件的专利权、版权和其它知识产权。未经授权，不得直接或间接的复制、制造、加工、使用本产品及相关部分。直线倒立摆系统GLIP系列包含《直线倒立摆系统GLIP系列安装与使用手册》和《倒立摆与自动控制原理实验》。声声明明固高科技保留在不预先通知的情况下修改设备和文档的权力。固高科技不承担由于使用本说明书或本产品不当，所造成的直接的、间接的、特殊的、附带的、或相应的损失和赔偿。商商标标声声明明Windows和Microsoft为Microsoft公司注册商标。Mathematica为沃尔夫勒姆研究公司（WolframResearchInc.)公司注册商标。Matlab为Mathworks公司注册商标©Googol2005II安安全全注注意意事事项项直线倒立摆系统主要用于教学和科研。在安装，使用和维护之前，请仔细阅读本安装手册。请将本手册妥善保存，以备需要时随时查阅。使使用用注注意意事事项项使用（安装、运转、保养、检修）前，请务必熟悉并全部掌握本手册和其它相关资料，在熟知全部机器知识、安全知识、以及注意事项后再使用设备。本手册将安全注意事项分为“危险”“注意”“强制”“禁止”分别记载。表1-1警告标志不正确的操作将会导致重大人身事故。不正确的操作会导致设备损坏。必须要做的操作。被禁止的操作。另外，即使“注意”所记载的内容，也可能因为不同的情况产生严重后果，因此任何一条注意事项都很重要，在设备使用过程中请严格遵守。虽然不符合“危险”“注意”的内容，但是用户在使用过程中必须严格遵守的事项，在相关地方以记载。©Googol2005IIIz本手册记述了安全上一般应该注意的事项，在实际实验环境下用于实验研究人员的安全措施不可能完全记载，敬请原谅。z为了安全的使用直线倒立摆控制系统，用户必须按照本说明书的要求对设备操作及维护人员进行安全教育，直接操作人员必须认真阅读直线倒立摆系统所有说明书。z本手册中的图以及相片，为代表性实例，和实际产品可能有所不同；z由于破损或是丢失说明书需要定购说明书，请与我公司销售部门联系；z客户自行进行产品改造，不在本公司保修范围之内，本公司概不负责。z在操作运行的机器中，存在一定的危险，请实验人员注意可能会出现的危险情况。©Googol2005IV内容简介这是一本为工科自动化和机电一体化的专科、本科以及研究生编写的实验教科书，可以作为控制领域各门控制课程的配套实验教材，本书的主要内容包括经典控制理论的部分实验内容和现代控制理论的部分实验内容，经典控制理论内容包括实际系统模型的建立、根轨迹分析和控制器设计、频率响应分析、PID控制分析等内容，现代控制理论内容主要包括状态空间极点配置和线性最优控制LQR方法，本书实验内容主要基于固高科技倒立摆完成。前言©Googol2005V前前言言倒立摆是进行控制理论研究的典型实验平台。由于倒立摆系统的控制策略和杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，而且许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为必备的控制理论教学实验设备。学习自动控制理论的学生通过倒立摆系统实验来验证所学的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学课程加深了理解。倒立摆不仅仅是一种优秀的教学实验仪器，同时也是进行控制理论研究的理想实验平台。由于倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法，相关的科研成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。二十世纪九十年代以来，更加复杂多种形式的倒立摆系统成为控制理论研究领域的热点，每年在专业杂志上都会有大量的优秀论文出现。固高科技有限公司（以下简称固高科技）为高等院校的自动控制教学提供了整套基于倒立摆系统的实验解决方案。包括各种摆的开发生产、实验内容的安排和配置，以及对应的自动控制理论教学内容和相关经典教材的推荐。固高科技开发生产的倒立摆系列包括直线运动型、圆周运动型和复合倒立摆三个大系列，主要特点包括：开放性：采用四轴运动控制板卡，机械部分和电气部分非常容易扩展，可以根据用户需要进行配置。系统软件接口充分开放，用户不仅可以使用配套的实验软件，而且可以根据自己的实际需要扩展软件的功能。模块化：系统的机械部分可以选用直线或者旋转平台，根据实际需要配置成成一级、二级或者三级倒立摆。而三级摆可以方便地改装成两级摆，两级摆可以改装成一级摆。系统实验软件同样是基于模块化的思想设计，用户可以根据需要增加或者修改相应的功能模块。简易安全：摆实验系统包括运动控制板卡、电控箱（旋转平台系统中和机械本体联在一起）、机械本体和微型计算机几个部分组成，安装升级方便。同时在机械、运动控制板卡和实验软件上都采取了积极措施，保证实验时人员的安全可靠和仪器安全。方便性：倒立摆系统易于安装、升级，同时软件界面操作简单。先进性：采用工业级四轴运动控制板卡作为核心控制系统，先进的交流伺服电机作为驱动，检测元件使用高精度高性能光电码盘。系统设计符合当今先进的运动控制发展方向。实验软件多样化：用于实验的软件包括经典的BorlandC++，VC++，以及控制领域使用最多的仿真工具Matlab，提供完备的设备接口和程序接口，方便用户进行实验和开发。配套实验教材：配备完备的《安装手册》、《使用手册》和《实验指导书》，用户可以根据学生实际情况开设相应的实验课程，也可以自行设计实验。固高倒立摆系统适应如下课程的实验：自动控制原理，现代控制理论，现代控制工程，最优控制，非线性系统控制，智能控制，模糊控制和神经网络控制等前言©Googol2005VI等。本书针对固高直线一级倒立摆组织了一系列实验，教师可以根据学生实际情况开设相应的实验课程。在开设本书实验课程时，用户必须同时具备有《GT系列运动控制器用户手册》、《GT系列运动控制器编程手册》、《Panasonic交流伺服电机驱动器使用说明书》和其它相关元器件使用说明书。目录©Googol2005VII目目录录版权声明.............................................................................................................................................I声明I商标声明.............................................................................................................................................I安全注意事项....................................................................................................................................II使用注意事项....................................................................................................................................II内容简介...........................................................................................................................................IV前言V目录VII第1章倒立摆系统介绍........................................................................................................................11.1倒立摆系统简介........................................................................................................................11.2倒立摆分类................................................................................................................................11.3倒立摆的特性............................................................................................................................31.4控制器设计方法........................................................................................................................4第2章运动控制基础实验....................................................................................................................52.1编码器原理及使用实验............................................................................................................52.1.1编码器原理.........................................................................................................................52.1.2角度换算............................................................................................................................62.1.3编码器使用实验.................................................................................................................62.2MATLABSIMULINK环境下电机控制实现...............................................................................15第3章直线倒立摆建模、仿真及实验..............................................................................................243.1直线一级倒立摆.................................