基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计.doc

自动控制原理课程设计说明书
基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计
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2018年1月
目录
TOC\o”1—3”\h\z\uHYPERLINK\l”_Toc504425331”1任务概述 PAGEREF_Toc504425331\h2
HYPERLINK\l”_Toc504425332”1。1设计概述 PAGEREF_Toc504425332\h2
HYPERLINK\l”_Toc504425333"1。2要完成的设计任务： PAGEREF_Toc504425333\h2
HYPERLINK\l"_Toc504425334”2系统建模 PAGEREF_Toc504425334\h3
HYPERLINK\l"_Toc504425335"2.1对象模型 PAGEREF_Toc504425335\h3
HYPERLINK\l”_Toc504425336”2。2模型建立及封装 PAGEREF_Toc504425336\h3
HYPERLINK\l"_Toc504425337”3仿真验证 PAGEREF_Toc504425337\h8
HYPERLINK\l"_Toc504425338”3。1实验设计 PAGEREF_Toc504425338\h8
HYPERLINK\l"_Toc504425339”3.2建立M文件编制绘图子程序 PAGEREF_Toc504425339\h8
HYPERLINK\l”_Toc504425340”4双闭环PID控制器设计 PAGEREF_Toc504425340\h11
HYPERLINK\l"_Toc504425341”4.1内环控制器的设计 PAGEREF_Toc504425341\h12
HYPERLINK\l"_Toc504425342"4.2外环控制器的设计 PAGEREF_Toc504425342\h12
HYPERLINK\l”_Toc504425343”5仿真实验 PAGEREF_Toc504425343\h14
HYPERLINK\l”_Toc504425344”5。1简化模型 PAGEREF_Toc504425344\h14
HYPERLINK\l"_Toc504425345"5。2仿真实验 PAGEREF_Toc504425345\h15
HYPERLINK\l"_Toc504425346"6检验系统的鲁棒性 PAGEREF_Toc504425346\h17
HYPERLINK\l"_Toc504425347”6．1编写程序求系统性能指标 PAGEREF_Toc504425347\h17
HYPERLINK\l"_Toc504425348"6.2改变参数验证控制系统的鲁棒性 PAGEREF_Toc504425348\h18
HYPERLINK\l”_Toc504425349"7结论 PAGEREF_Toc504425349\h21
HYPERLINK\l"_Toc504425350”附录 PAGEREF_Toc504425350\h21
1任务概述
1。1设计概述
如图1所示的“一阶倒立摆控制系统”中，通过检测小车位置与摆杆的摆动角，来适当控制驱动电动机拖动力的大小，控制器由一台工业控制计算机(IPC)完成。
图1一阶倒立摆控制系统
这是一个借助于“SIMULINK封装技术——子系统”，在模型验证的基础上,采用双闭环PID控制方案，实现倒立摆位置伺服控制的数字仿真实验.
1。2要完成的设计任务：
(1)通过理论分析建立对象模型（实际模型)，并在原点进行线性化,得到线性化模型;将实际模型和线性化模型作为子系统，并进行封装，将倒立摆的振子质量m和倒摆长度L作为子系统的参数，可以由用户根据需要输入；
（2）设计实验,进行模型验证;
（3)一阶倒立摆系统为“自不稳定的非最小相位系统”。将系统小车位置作为“外环"，而将摆杆摆角作为“内环”，设计内化与外环的PID控制器；
（4）在单位阶跃输入下，进行SIMULINK仿真；
（5）编写绘图程序,绘制阶跃响应曲线，并编程求解系统性能指标：最大超调量、调节时间、上升时间；
(6）检验系统的鲁棒性:将对象的特性做如下变化后，同样在单位阶跃输入下，检验所设计控制系统的鲁棒性能，列表比较系统的性能指标（最大超调量、调节时间、上升时间）。
倒摆长度L不变,倒立摆的振子质量m从1kg分别改变为1。5kg、2kg、2。5kg、0.8kg、0.5kg;
倒立摆的振子质量m不