倒立摆PID控制及MATLAB仿真.doc资源-CSDN文库

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摘要

倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、不稳定系统，对倒立摆的控制

研究无论在理论上和方法上都有深远的意义。

本论文以实验室原有的直线一级倒立摆实验装置为平台，重点研究其PID控制方法，

设计出相应的PID控制器，并将控制过程在MATLAB上加以仿真。

本文主要研究内容是：首先概述自动控制的发展和倒立摆系统研究的现状；介绍

倒立摆系统硬件组成，对单级倒立摆模型进行建模，并分析其稳定性；研究倒立摆系

统的几种控制策略，分别设计了相应的控制器，以MATLAB为基础，做了大量的仿真研

究，比较了各种控制方法的效果；借助固高科技MATLAB实时控制软件实验平台；利用

设计的控制方法对单级倒立摆系统进行实时控制，通过在线调整参数和突加干扰等，

研究其实时性和抗千扰等性能；对本论文进行总结，对下一步研究作一些展望。

关键词：一级倒立摆，PID，MATLAB 仿真

第 1 章自动控制概述..................................................................................................................1

1.1 自动控制概念............................................................................................................1

1.1.1 开环控制..........................................................................................................1

1.1.2 闭环控制..........................................................................................................2

1.2 自动控制系统的分类................................................................................................2

1.2.1 恒值系统、随动系统和程序控制系统..........................................................2

1.2.2 随机系统与自动调整系统..............................................................................3

1.2.3 线性系统和非线性系统..................................................................................3

1.2.4 连续系统与离散系统......................................................................................3

1.2.5 单输入单输出系统和多输入多输出系统......................................................3

1.2.6 集中参数系统和分布参数系统......................................................................4

1.3 对控制系统的性能要求............................................................................................4

1.4 典型环节....................................................................................................................5

1.4.1 比例环节..........................................................................................................5

1.4.2 积分环节..........................................................................................................5

1.4.3 微分环节..........................................................................................................6

1.4.4 惯性环节..........................................................................................................6

1.4.5 时滞环节..........................................................................................................7

第 2 章 MATLAB 仿真软件的应用...........................................................................................9

2.1 MATLAB 的基本介绍...............................................................................................9

2.2 MATLAB 的仿真.......................................................................................................9

2.3 控制系统的动态仿真............................................................................................10

2.4 小结........................................................................................................................12

第 3 章直线一级倒立摆系统及其数学模型................................................................13

3.1 系统组成..................................................................................................................13

3.1.1 倒立摆的组成................................................................................................14

3.1.2 电控箱............................................................................................................14

3.1.3 其它部件图....................................................................................................14

III

3.1.4 倒立摆特性....................................................................................................15

3.2 模型的建立..............................................................................................................15

3.2.1 微分方程的推导............................................................................................16

3.2.2 传递函数........................................................................................................17

3.2.3 状态空间结构方程........................................................................................18

3.2.4 实际系统模型................................................................................................20

3.2.5 采用 MATLAB 语句形式进行仿真.............................................................21

第 4 章 PID 控制理论.................................................................................................................23

4.1 PID 控制概述 ...........................................................................................................23

4.2 PID 的控制规律 .......................................................................................................24

4.3 数字 PID 控制 .........................................................................................................25

4.3.1 位置式 PID 控制算法 ...................................................................................26

4.3.2 增量式 PID 控制算法 ...................................................................................27

4.4 常用的 PID 控制系统 .............................................................................................27

4.4.1 串级 PID 控制 ...............................................................................................27

4.4.2 纯滞后系统的大林控制算法........................................................................28

4.4.3 纯滞后系统的 Smith 控制算法 .....................................................................29

4.4.4 PID 控制原理的特点 .....................................................................................31

4.4.5 PID 参数的调整 .............................................................................................31

4.4.6 PID 控制回路的运行 .....................................................................................32

第 5 章直线一级倒立摆的 PID 控制器设计与调节 ..................................................34

5.1 PID 控制器的设计 ...................................................................................................34

5.2 PID 控制器设计 MATLAB 仿真 ............................................................................36

结论.....................................................................................................................................................41

致谢.....................................................................................................................................................42

参考文献................................................................................................................................................43