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《重庆大学》 2004年
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MATLAB环境下直线单级倒立摆系统实时控制实验的研究与设计

刘时鹏  
【摘要】:倒立摆系统是非线形、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。在控制过程中,它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题,是检验各种控制理论的理想模型。由于倒立摆实物系统本身具有的复杂性和对实时性的高要求,为实现控制要求需要付出庞大的开发量,针对学生开设有效的实验课程更是难上加难,迫切需要更新实验体系。基于MATLAB的硬件在回路仿真技术是现阶段满足这一需要的合理方法,对倒立摆控制策略的研究乃至于推广到其他实验设备的开发具有重大的现实意义。 本文通过对硬件在回路仿真技术原理及应用的研究,提出了利用MATLAB实现对直线单级倒立摆实时控制的构想。经过分析比较,确定了利用MATLAB RTW实时工具箱构建一个实时控制平台的方案,将Simulink生成的仿真模型下载到目标实时内核中运行,驱动外部硬件设备,实现对倒立摆的控制。 本文详细分析了MATLAB RTW下单机型和双机型两种模式的系统结构,介绍了在xPC Target实时内核环境中开发第三方设备驱动程序的方法,为用户灵活地使用该实验平台提供了一条途径,具有一定的推广价值。 本文针对高年级本科生设计了一系列直线单级倒立摆控制实验,包括对象数学模型的建立、经典控制理论和现代控制理论等自动控制原理的知识。实验将离线数学仿真和在线实时控制结合起来,将Simulink模型框图作为系统控制前台,绕开了繁琐的程序设计,让实验者集中精力于控制器结构的设计和参数整定,并且能够利用数据存储的功能观察系统的历史趋势曲线,对控制过程进行分析,调整相应的控制参数。 本文通过倒立摆的实时控制实验验证了该方案的可行性,并分析了造成离线数学仿真和实时控制效果之间差异的原因。此外,该平台在水箱液位控制系统中的成功应用,从一个侧面说明了该实验平台的可组合性和通用性。 最后,论文对优化该平台性能,丰富该平台功能作出了展望,指出了硬件在回路仿真技术在高校实验室可持续建设中具有的重要作用,为今后的实验开发以及理论研究提供了一个事半功倍的工具。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP273.5

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