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北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY课程设计用纸控制系统综合设计倒立摆控制系统院（系、部）：组长：组员班级：指导教师：2014年1月2日星期四北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY课程设计用纸1目录摘要----------------------------------------------------------------------------------3引言----------------------------------------------------------------------------------3一、整体方案设计--------------------------------------------------------------31、需求-----------------------------------------------------------------------------32、目标-----------------------------------------------------------------------------33、概念设计----------------------------------------------------------------------34、整体开发方案设计---------------------------------------------------------35、评估----------------------------------------------------------------------------4二、系统设计--------------------------------------------------------------------4（一）系统设计-----------------------------------------------------------------41、功能分析----------------------------------------------------------------------42、设计规范和约束------------------------------------------------------------63、详细设计----------------------------------------------------------------------7（二）机械系统设计-----------------------------------------------------------8三、理论分析---------------------------------------------------------------------91、控制系统建模----------------------------------------------------------------92、时域和频域分析------------------------------------------------------------133、设计PID或其他控制器---------------------------------------------------21四、元器件、设备选型--------------------------------------------------------30北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY课程设计用纸2五、加工制作--------------------------------------------------------------------331、加工图纸---------------------------------------------------------------------382、材料选择----------------------------------------------------------------------383、加工方案----------------------------------------------------------------------38六、安装调试--------------------------------------------------------------------38七、经济性分析-----------------------------------------------------------------39八、结论---------------------------------------------------------------------------391、课程设计总结----------------------------------------------------------------392、感悟和体会-------------------------------------------------------------------393、致谢-----------------------------------------------------------------------------40九、参考文献----------------------------------------------------------------------40北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY课程设计用纸3倒立摆控制系统设计摘要：在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。倒立摆系统作为一个控制装置，结构简单，便于实现多种不同类型的控制方法，作为一个被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的快速系统，只有采用行之有效的控制策略，才能使其稳定。本文采用频率响应控制方式和PID控制方式对倒立摆的控制过程进行分析和研究，最终使倒立摆立起并保证其稳定。关键词：倒立摆最优控制PID调节频率响应引言：自动控制理论在当前的工程技术界，主要解决如何面向工程的实际应用问题。一项工程的实施也存在一种可行性的试验问题，因而，用一套较好的、较完备的试验设备，将其理论及方法进行有效的检验是极其重要的。倒立摆装置被公认为自动控制理论中的典型实验设备，也是控制理论教学和科研中的被控对象，运用控制手段可使之具有良好的稳定性。因此说，倒立摆为科技研究提供了一个从控制理论通往实践的桥梁。一整体方案设计1、需求随着科学技术的不断进步，人们在生产和生活中越来越注重事物的精确性，因此，不确定因素就开始引起人们的广泛关注。提及不确定性，控制领域的人都会想起倒立摆系统，因为倒立摆系统是典型的多变量、非线性、不稳定系统，通过对它的研究，能有效的反映出许多抽象的控制理论及概念。其控制方法在军事、航空航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。目前，倒立摆已经成为控制领域的一项热门研究。2、目标倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡、过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。3、概念设计倒立摆是一个非线性、不稳定系统,经常作为研究比较不同控制方法的典型例子。设计一个倒立摆的控制系统，使倒立摆这样一个不稳定的被控对象在引入适当的控制策略的基础上而成为一个能够满足各种性能指标的稳定系统。4、整体开发方案设计通过对倒立摆物理模型的分析，建立倒立摆的动力学模型，然后使用状态空间理论，推导出其非线性模型，再在平衡点处进行线性化，得到倒立摆的状态方程和输出方程，再设计出PID控制器北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY课程设计用纸4实现对其的控制。实验参数自己选定，但要合理，符合实际情况，使用模糊控制方式，并利用MATLAB软件，用simulink对相应的模块进行仿真。5、评估对自然不稳定物体，人为地施加一定的控制手段，使之稳定，达到人们的需求。这正是倒立摆的控制思想，不仅如此，日常生活中，所有重心在上、支点在下的物体的控制思想都源于此。一般而言，对倒立摆的控制目的就是通过控制力F的作用，使小车左右运动，从而带动摆杆的摆动，将单摆控制在倒立点附近，在这样的单摆系统中，摆杆的平衡位置有两个，一个是自然下垂位置，另一个是竖直向上的倒立位置，因此倒立点是一个不稳定的平衡位置，摆杆一旦偏离倒立点，即使很小的角度，也会使整个系统失去平衡。二系统设计（一）1、功能分析（1）被控对象倒立摆的被控对象为摆杆和小车。摆杆通过铰链连接在小车上，并可以围绕连接轴自由旋转。通过给小车施加适当的力可以将摆杆直立起来并保持稳定的状态。（2）传感器倒立摆系统中的传感器为光电编码盘。旋转编码器是一种角位移传感器，它分为光电式、接触式和电磁感应式三种，本系统用到的就是光电式增量编码器。光电编码器外观、剖面图和原理示意图图为光电式增量编码器示意图，它由发光元件、光电码盘、光敏元件和信号处理电路组成。当码盘随工作轴一起转动时，光源透过光电码盘上的光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、记数、译码后输出。北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY课程设计用纸5光电式增量编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度α，而这与码盘圆周内所分狭缝的线数有关：α=360°/n，其中n为编码器线数。对于线数为n的编码器，设信号采集卡倍频数为m，则有角度换算关系为φ=360°N/n⋅m，式中φ为编码器轴转角，N为编码器读数。对于电机编码器，在倒立摆使用中需要把编码器读数转化为小车的水平位置，因此l=180°×ΦN/n⋅m式中l为小车位移，Φ为同步带轮直径。（3）电控箱：电控箱内安装有以下主要部件：1）交流伺服驱动器;2)I/O接口板：3）开关电源：4）开关、等电器元件（4）执行机构倒立摆系统的执行机构为松下伺服电机和与之连接的皮带轮。电机的转矩和速度通过皮带轮传送到小车上，从而带动小车的运动。电机的驱动由与其配套的伺服驱动器提供。松下伺服电机及其驱动器如图所示。北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY课程设计用纸6电机的控制是通过固高公司的GT系列运动控制器（见图）实现的。该控制器可以同步控制四个运动轴，实现多轴协调运动。运动控制器以计算机为主机，提供标准的ISA总线或PCI总线接口，并且可以提供RS232串行通讯和PC104通讯接口。运动控制器同时具有A/D信号采集功能，从而能够将光电编码盘的信号传递到计算机。2、设计规范和约束用现代控制理论中的状态反馈方法来实现倒立摆系统的控制，就是设法调整闭环系统的极点分布，以构成闭环稳定的倒立摆系统，它的局限性是显而易见的。只要偏离平衡位置较远，系统就成了非线性系统，状态反馈就难以控制。实际上，用线性化模型进行极点配置求得的状态反馈阵，不一定能使倒立摆稳定竖起来，能使倒立摆竖立起来的状态反馈阵是实际调试出来的，这个调试出来的状态反馈阵肯定满足极点配置。这就是说，满足稳定极点配置的状态反馈阵很多，而能使倒立摆稳定竖立的状态反馈阵只有很少的一个范围，这个范围要花大量的时间去寻找。3、详细设计