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倒立摆伺服系统设计与实验研究

李恺  
【摘要】:在控制理论教学中,倒立摆的平衡问题是一个经常被使用的生动有趣的实验。倒立摆仅靠移动固结在小车上的支点的水平位置进行控制,是一个典型的具有不稳定开环极点的实验装置。倒立摆系统不仅具有生动直观的教学特点,在研究方面,倒立摆系统同样具有重要的价值。作为一个复杂、时变、非线性、强耦合、自然不稳定的高阶系统,倒立摆的稳定性控制又是控制理论与应用的典型问题。本课题主要完成倒立摆伺服系统运动控制模块的设计和实现,对倒立摆系统进行建模和仿真,在此基础上完成了对单级倒立摆的稳定平衡控制。 运动控制模块的核心为基于DSP技术的摩信运动控制卡,使得系统的运算速度和精度具有较大提高,进而提高了系统的快速性和实时性。经过实验完成系统运动控制模块的调试。 为无摩擦假设条件下的一级、二级以及三级倒立摆系统建立了线性模型,并分别对其使用线性二次型调节器控制方法进行了仿真。进而分析了摩擦因素对倒立摆线性模型的影响,给出了考虑摩擦影响的倒立摆线性模型的一般形式,讨论了摩擦影响下倒立摆控制算法的修正原则。 使用C语言编写控制程序,实现数据采集、控制率计算、控制输出,以及通信等功能。上位机用户界面设计使用VC进行开发,实现PC机的用户界面操作,完成在线检测、在线控制以及在线调试等任务。 完成单级倒立摆系统的调试和实验,实现了倒立摆位置随动以及定位功能。实验结果表明系统具有一定的瞬态、稳态特性和鲁棒性。 本文所完成的工作,既可以作为现代控制理论的教学实验,对于具有类似模型的其他装置如两足机器人的研究也有一定的借鉴作用。


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