一階倒立擺雙閉環(huán)PID控制實驗報告

1、姓名：戴鵬學院：電氣工程學院指導老師：胡立坤 專業(yè)：自動化成績：班級：自093年 月 日實驗內(nèi)容：基于雙閉環(huán)PID控制的一階倒立擺控制器的設計與驗證實驗其他組員：黃育尚【實驗時間】2013年1月18日星期五【實驗地點】綜合樓702【實驗目的】.理解一階倒立擺的工作機理及其數(shù)學模型的建立及簡化的方法；.通過對一階倒立擺的建模，掌握使用Matlab/Simulink軟件對控制系統(tǒng)的建模方法；.通過對一階倒立擺控制系統(tǒng)的設計，理解和掌握雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)的設計方法；.掌握雙閉環(huán)PID控制器參數(shù)整定的方法；.掌握Simulink子系統(tǒng)的創(chuàng)建方法；.理解和掌握控制系統(tǒng)設計中穩(wěn)定性、快速性的權衡以及不斷

2、通過仿真實驗優(yōu)化控制系統(tǒng) 的方法?！緦嶒炘怼勘緦嶒灥谋豢貙ο鬄楣谈吖镜牡沽[實驗系統(tǒng)，一階倒立擺的結構原理圖如圖1所示，一階倒立擺系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。一階倒立擺精確模型如圖3所示。一階倒立擺系統(tǒng)包括計算機、運動控制卡、伺服機構、倒立擺本體和光電碼盤幾大部分，組成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。光電碼盤1將小車的位移、速度信號反饋給伺服驅動器和運動控制卡，擺桿的位置、速度信號由光電碼盤反饋給控制卡。 計算機從運動控制卡中讀取實時數(shù)據(jù)， 確定控制決策（小車向哪個方向移動、移動速度、加速度等），并由運動控制卡來實現(xiàn)該控制 決策，產(chǎn)生相應的控制量，使電機轉動，通過皮帶帶動小車運動，保持擺桿平衡。圖1 一階倒

3、立擺的結構原理圖圖2 一階倒立擺系統(tǒng)的組成框圖3 一階倒立擺精確模型一階倒立擺系統(tǒng)建模，系統(tǒng)在平衡點附近近似模型為:?2(I ml2)b?f(Mm) Mml2 xmlb?17Mm) Mml2x實際系統(tǒng)的模型參數(shù)如下：M小車質量1.096 Kgm擺桿質量0.109 Kgb小車摩擦系數(shù)0 .1N/m/secl擺桿轉動軸心到桿質心的長度I 擺桿慣量 0.0034 kg*m*m22m gl2I (M m) Mml2mgl(M m)P(Mm) Mml22(I ml2)2 uI(M m) Mml2ml2 uI(M m) Mml20.2 5m一 一 20.02725 s(s)X(s)把上述參數(shù)代入，可以得到

4、系統(tǒng)的實際模型。 擺桿角度和小車位移的傳遞函數(shù)：_ _20.0102125s0.26705擺桿角度和小車加速度之間的傳遞函數(shù)為：(s)0.027252V(s) 0.0102125s2 0.26705擺桿角度和小車所受外界作用力的傳遞函數(shù)：(s)2.35655s32U(s) s3 0.0883167 s2 27.9169s 2.30942【實驗設備及儀器】.工業(yè)控制計算機一臺. MATLAB 7.0軟件一套.固高公司倒立擺實驗設備一套【實驗內(nèi)容和步驟】打開MATLAB 7.0的Simulink仿真平臺，搭建如圖 4所示的系統(tǒng)仿真模型。Subsystem圖4 Simulink平臺下搭建的系統(tǒng)仿真模

5、型xuthetaDerivative?_ . _Gain3g39|Acc1AccCofGetPos PosGet Carts Position圖8倒立擺實驗設備實際模型其中，PID控制器采用自行設計的雙閉環(huán)PID控制器，其封裝及參數(shù)選擇如圖9和圖10所示。圖9雙閉環(huán)PID控制器模型圖10雙閉環(huán)PID控制器參數(shù)選擇設置好實時控制參數(shù)后，編譯控制算法，鏈接實時控制箱，點擊運行，查看倒立擺起擺及控制情況，通過 Scope查看倒立擺反饋量和實時控制效果。實驗結果表明，該一階倒立擺在起擺控制算法和起擺后的雙閉環(huán)PID控制器的控制下，能成功的起擺并穩(wěn)定地控制擺桿倒立。在給定為Pos=0 , angle=p

6、i時，系統(tǒng)反饋的位置曲線和角度曲線如圖 11所示。從位置給定對系統(tǒng)施加擾動：Pos=from -0.2 to 0.2 ,系統(tǒng)反饋的位置曲線和角度曲線（即系統(tǒng)響應）如圖12所示。從位置給定對系統(tǒng)施加擾動：Pos=from 0.2 to -0.2 ,系統(tǒng)反饋的位置曲線和角度曲線（即系統(tǒng)響應）如圖13所示。手動從擺桿對系統(tǒng)施加擾動：用手輕輕的碰一下擺桿，系統(tǒng)反饋的位置曲線和角度曲線（即系統(tǒng)響應）如圖14所示。圖11實時控制位置和角度曲線圖12位置給定擾動系統(tǒng)響應曲線（1）EJ0二二Bia h 專圖13位置給定擾動系統(tǒng)響應曲線（2）圖13手動對擾動系統(tǒng)響應曲線【實驗總結】1、通過本次實驗，我了解了一階倒立擺系統(tǒng)的組成和建模及其特性（非線性多變量、強耦 合、開環(huán)絕對不穩(wěn)定、約束限制等），以及一階倒立擺系統(tǒng)雙閉環(huán)PID控制器的設計,系統(tǒng)調(diào)試步驟、方法及參數(shù)的整定；同時了解到在系統(tǒng)建模時理論與實際系統(tǒng)的差別， 理論計算并不一定能適用于實際系統(tǒng)；PID控制器對實際系統(tǒng)精確模型的要求不是很高，從系統(tǒng)的輸出響應就可以整定PID參數(shù)，但是要耐心調(diào)試以找到比較好的控制參數(shù)。2、做倒立擺實驗最重要的就是要注意安全，操作一定要符合實驗手冊的規(guī)