单级移动倒立摆建模及串联超前校正设计.doc

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1、武汉理工大学自动控制原理课程设计说明书学 号： 0120811350301课 程 设 计题 目单级移动倒立摆建模及串联超前校正设计学 院自动化学院专 业电气工程及其自动化班 级电气0803姓 名马 田指导教师肖 纯2011年1月11日课程设计任务书 学生姓名：马 田_ 专业班级：电气0803班_指导教师：肖 纯_ 工作单位：武汉理工大学题 目: 单级移动倒立摆建模及串联超前校正设计 图示为一个倒立摆装置，该装置包含一个小车和一个安装在小车上的倒立摆杆。由于小车在水平方向可适当移动，因此，控制小车的移动可使摆杆维持直立不倒。初始条件： 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说

2、明书撰写等具体要求）（1） 研究该装置的非线性数学模型，并提出合理的线性化方法，建立该装置的线性数学模型传递函数（以u为输入，为输出).（2） 要求系统输出动态性能满足试设计串联PD校正装置。（3） 用Matlab对校正后的系统进行仿真分析，比较校正装置加在线性化前的模型上和线性化后的模型上的时域响应有何区别，并说明原因。（4） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须进行原理分析，写清楚分析计算的过程及其比较分析的结果，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。时间安排： 任务时间（天）指导老师下达任务书，审题、查阅相关资料2分析、计算3编写

3、程序2撰写报告2论文答辩1指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要 . .11 单级移动倒立摆的Newton方法建模 . .2 1.1非线性数学模型 . .2 1.1.1 被控对象系统建模分析 . .22 倒立摆系统的串联超前校正装置校正分析 . .42.1未校正系统输出动态性能 . .42.2系统的串联超前装置校正 . .7 2.2.1 参数修正 . .7 2.2.2 串联超前校正装置 . .9 2.3校正后系统的稳定性分析 . .93 校正前系统与校正后系统的比较 . .114 设计心得体会 . .12参考文献 . .13摘 要本次课程设计主要针对于单级移

4、动倒立摆建模及串联超前装置问题的解决，为使原系统的超调量和调节时间满足课程设计书所要求的参数值，在原函数的前向通道串联上超前校正装置，校正并且发现超前校正的功能和特性，利用现代数学软件MATLAB对校正前的系统和校正后的系统进行分析，发现问题，找出问题，解决问题。并最终使校正后的系统符合参数设定值。关键字：单级移动倒立摆建模 串联超前校正 MATLAB仿真单级移动倒立摆建模及串联超前校正设计1 单级移动倒立摆的Newton方法建模1.1非线性数学模型系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的

5、输出，应用数学手段建立起系统的输入输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入状态关系。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。但是经过小心的假设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。在此次的课程设计中我采用其中的Newton方法建立单级移动一级倒立摆系统的数学模型。1.1.1 被控对象系统建模分析在忽略了空气阻力和各种摩擦力后，可将倒立摆系统抽象成小车

6、和均质杆组成的系统如下图1小车系统总体分析图。.设输入作用力为u，输出为摆角图1 小车总系统分析小车质量M=1摆杆质量m=0.1小车摩擦系数b=0摆杆转动轴心到杆质心的长度l=0.5摆杆惯量I=0.03加在小车上的力F小车位置x摆杆与垂直向上方向的夹角（逆时针为正)摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑摆杆初始位置为竖直向下，顺时针为正）图2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分析的分量。图2 系统分隔分析图应用Newton方法来建立系统的动力学方程过程如下：分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：由摆杆水平方向所受的合力，可以得到以下方程：- 合并可得

7、 为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：合并得到力矩平衡方程如下：- 方程中，当与1（单位是弧度）相比很小时，可以进行近似处理：、，用来代替被控对象的输入力F，线性化两个运动方程（即将上述等式带入和）如下： -对方程组进行拉普拉斯变换，得到：-注意：推导传递函数时假设初始条件为0。由于输出为角度，求解方程组的第二个方程，可以得到： 把上式带入方程组的第二个方程，得到输入到输出-摆杆角度的传递函数：其中根据题目所给的条件得出原函数的传递函数为2 倒立摆系统的串联超前校正装置校正分析2.1未校正系统输出动态性能原系统结构图如图3所示，设输入为单位阶

8、跃响应图3 simulink仿真用MATLAB做出单位阶跃响应曲线如下图4图4 单位阶跃响应曲线用MATLAB做出传递函数的根轨迹图图5,MATLAB程序如下n=0.8d=1 0 -9.16Rlocus（n,d）图5 根轨迹用matlab做伯德图图6，MATLAB程序如下G=tf(0.8,conv(1 0 -9.16,1),bode(G)图6 伯德图图5、图6分别为系统未校正前的闭环根轨迹和波特图，由这两张图也可看出系统处于非稳定状态。2.2 系统的串联超前装置校正2.2.1 参数修正超前校正就是在前向通道中串联传递函数为，a1的校正装置，其中参数a、T为可调，如下图，从超前校正的零、极点可以

9、位于s平面负实轴上的任意位置，从而产生不同的校正效果。超前校正的基本原理就是利用超前相角补偿系统的滞后相角，改善系统的动态性能，如增加相位裕度，提高洗头膏稳定性等。在串联超前装置后，该开环传递函数为，所以特征方程为，利用劳斯判据判断其稳定性图7 劳斯表可以发现当原系统加入了超前校正装置之后，系统仍然为不稳定，则根据我的判定是题目的参数有偏差，所以我修改了数据改变了小车质量M和摆杆的质量m，设M=0.05，m=0.01求得新的原传递函数为图8 simulink仿真图用MATLAB做出单位阶跃响应曲线，如下图9单位阶跃响应曲线图9 单位阶跃响应曲线用matlab做出根轨迹图10，MATLAB程序如

10、下n=15d=1 0 -9rlocus(n,d)图10 根轨迹图用matlab做出伯德图如图11，MATLAB程序如下G=tf(15,1 0 -9);margin(G)图11 伯德图2.2.2 串联超前校正装置串联超前校正装置同时用劳斯判据来判定新的校正后的传递函数图12 劳斯表可得，新的传递函数可以通过改变变量的方法使其在串联超前校正装置后稳定 即是当a和T两个变量取以上范围的时候，可以是系统稳定。为了符合设计要中所需要达到的参数范围，我进行了小范围的假设和调节设a=2的时候，同时使G(s)的形式更加接近于典型的二阶系统，又因为，可以先进行几何化简2.3 校正后系统的稳定性分析图13 sim

11、ulink仿真用MATLAB做出新的单位阶跃响应曲线如下图14图14由系统校正后单位阶跃响应曲线（设在t=1s时输入单位阶跃信号）可得，设计要求用matlab做出校正后传递函数的根轨迹图如下图15，MATLAB程序如下n=256d=1 864rlocus(n,d)图15用matlab做出伯德图如下图16，MATLAB程序如下G=tf(256,1 8 64);margin(G)图163 校正前系统与校正后系统的比较通过在前通道串联超前校正装置，我得到了一个稳定的倒立摆系统，超前校正装置的串入，使得系统的动态过程的超调量下降由原来的不稳定时的无穷到校正后的同时调节时间缩短至1s，前通道串联超前校正

12、装置校正成功，满足设计所限制范围内。引入超前校正装置对原系统的稳态精度没有影响。4 设计心得体会起初看到这个题目，对倒立摆的认识不足，而且对如何对倒立摆系统进行建模毫无思路。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、价格低廉，便于模拟和数字实现多种不同的控制方法，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。倒立摆系统可以用多种理论和方法来实现其稳定控制。我的设计是用串联超前装置，起初认为很简单，但是当我建立新的校正后的系统是，利用劳斯判据得出新系统仍然为不稳定，于是就修改了参数，改参数的过程是

13、非常的困难的过程，但是有MATLAB的帮助，通过发现问题，解决问题的过程中，让我对软件MATLAB的掌握以及对系统校正有了更加深刻的认识通过本次设计查阅各种书籍都是非常重要的，特别是系统稳定性分析，系统各项动态性能指标，稳态误差，伯德图以及系统根轨迹等相关知识的理解。设计时借助MATLAB软件进行控制系统分析，进一步熟悉了MATLAB语言及其应用，在设计完成时又加强了对WORD软件的运用和了解同时我在网上和图书馆查到很多相关的资料，在查阅了不少的资料后，开始设计就有很强的逻辑性，可以让我开始设计时更加得心应手。在自己的努力的时候，请教导师和同学也是必不可少的，导师会引导我把握住设计的中心思路，

14、避免犯不必要的错误。同学们的新观点也给了我不少灵感总之，通过每一次课程设计，都为我今后的毕业设计打下了扎实的基础，让我明白自主学习的过程是痛苦的，但是结果往往是甜蜜的。让我领悟到做任何事“毅”字当头，我的这次设计就是在修改参数时费了很多的时间，如果我没有坚持下来的，也不会完成这次设计。最后，感谢老师对我不厌其烦的指导，热心的帮助我帮我解决问题，是我能更加从容的完成这次设计。参考文献1 胡寿松. 自动控制原理(第五版). 北京：科学出版社，20072 王万良. 自动控制原理. 北京：高等教育出版社，20083 王晓元，廖红，赵黎，刘想宁. 大学物理学（上）. 武汉：武汉理工大学出版社 20084

15、 夏玮. MATLAB控制系统仿真与实例详解. 北京：人民邮电出版社，20085 周品，赵新芬. MATLAB数学建模与仿真. 北京：国防工业出版社本科生课程设计成绩评定表姓 名马田性 别男专业、班级自动化学院电气0803办课程设计题目：单级移动倒立摆建模及串联超前校正设计课程设计答辩或质疑记录：问题1：所示的的simulink仿真图像是什么函数？答：所示的simulink仿真图像为单位阶跃响应曲线。问题2：当原系统不稳定时，修改参数后，如何使超调量接近设定值？答：因为本系统的参数设定原因，我将放大增益进行微调，使其满足条件，让串联超前校正装置后的传递函数的超前量满足设定值。问题3：超前校正的基本原理是如何定义的？答：利用超前相角补偿系统的滞后相角，改善系统的动态性能，如增加相位裕度，提高系统稳定性成绩评定依据：评 定 项 目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确、具有可行性、创新性（20分）3设计结果（20分）4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）6答辩（25分）总 分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日