现代控制理论倒立摆控制系统实验报告

现代控制理论倒立摆控制系统实验报告内容摘要：

低 8 位的高 4 位和低 4 位互换 */ outportb(0x315,newlo)。 /*写入低 8 位 */ inportb(0x314)。 /*启动 D/A 转换 */ } /*AD 函数 */ 北京航空航天大学设计 (论文 ) 第 14 页 float adc(int num) { int i,j,k,r。 unsigned int p,q。 int data。 float ad。 outportb(0x31b,0x18)。 outportb(0x310,num)。 for(i=0。 i1000。 i++) outportb(0x311,0x0)。 for(i=0。 i1000。 i++) p=inportb(0x312)%16。 q=inportb(0x313)。 r=p*256+q。 data=r0x800。 ad=*data/0x800。 return ad。 } 界面设计与实现 本系统中上位机界面的设计利用 C 语言中的绘图函数完成。 主要实现对倒立摆状态的实时监控和显示。 界面的主要组成是四个坐标系：倒立摆摆动角  、角速度  、小车位移 x 以及小车 速度 x。 界面右上方通过动画实时显示倒立摆的摆动角以及小车位置。 完整界面如图 所示。 图 倒立摆控制系统上位机界面截图 北京航空航天大学设计 (论文 ) 第 15 页 6 系统的组装与调试 倒立摆实现电路 倒立摆 电器部分由检测路、 调零电路、计算机 A/D 、 D/A 变换器 、功率放大变换器和伺服电机组成。 如图 所示。 图 计算机控制倒立摆系统结构框图 在进行模拟控制时，系统的工作原理为 由检测电位器测量出摆的偏转角度  以及小车位置 x，通过 调零微分检测电路 ， 得到  、 x 经过计算后输出控制信号，通过功率放大器放大后驱动伺服电机。 电机旋转拖动小车 向 着减少  的方向移动，从而使倒立摆达到平衡。 电路原理 如图 所示。 图 模拟控制 倒立摆电路原理图 在进行计算机控制时， 系统的工作原理为，由检测电位器测量出摆的偏转角度  以及小车位置 x，通过 A/D 采入计算机，经过计算后输出控制信号，经 D/A 转换为模拟量，通过功率放大器放大后驱动伺服电机。 电机旋转拖动小车 向 着减少  的方向移动，从而使倒立摆达到平衡。 北京航空航天大学设计 (论文 ) 第 16 页 电路原理 如图 所示。 图 计算机控制 倒立摆电路原理图 系统调试 本装置在拆开包装箱后，应检查元件有无损坏现象 .将实验装置安放在工作地点之后，把支承杆放在工作台板面 中间位置，并固定好，然后将小车及摆移到导轨的中间并用支撑杆上的钩簧勾住上摆，使上、下摆吊直 (处于铅垂位置 )。 在通电检查之前，检查所有电气部分有无损坏现象。 电源线与传感器连接的插头 P5,与计算机连接的插头 L5 等外部接插头是否接好。 通电应在设备完好情况下进行。 在此之前电源开关应处于 OFF 位置，控制电机与功放连接线上的功放开关也应处于 OFF 位置。 首先，小车、倒立摆 L1 初始位置的校验 (电源开关置 ON)。 小车初始位置的校验：先将小车置于导轨的中间位置。 然后用三用表测量其位移传感器（导轨左侧的 WXD7的多圈线绕电 位计，阻值为 10k ）电压值，并将负极性的表笔置传感器端子 2， 另一表笔分别置 1 和 3，适当地转动电位计的轴使其端子 21 间， 23 间的电压值分别为 U21=+3V， U23=3V 时，然后将电位器的轴与皮带轮轴用螺钉固紧，这样就基本上保证了电位器的滑臂处在其几何中心处或电气中心处。 倒立摆初始位置的校验：下摆角位移1 传感器是一只转角为 360176。 的 WDD35D1 型的塑料导电电位器。 电阻值为 2k ，适当的转动电位器的轴使其端子 21 间， 23 间的电压值分别为 U21=3V， U23=+3V 时，然后将摆与电位器的轴用螺钉紧固。 从而保证了滑臂处在其几何中心处或电气中心处。 小车，倒立摆 L1 位移输出零位调整。 在零位调整之前，一定要接上后盖板上的插 北京航空航天大学设计 (论文 ) 第 17 页 头 P5。 小车位移 x 零位的调节：首先将“ X 运放调零 电桥调零”拨动开关 T4 拨向“电桥调零”处，然后旋动其左侧的“ X 调零”电位器的旋钮，并观察“ X 测量”孔处的输出电压（对地）是否为零，反复调节直至输出为零为止。 倒立摆 L1 角位移 1 零位调节：先将拨动开关 T1 转向“电桥调零”处，然后旋动其左侧的“ 1 调零 ” 电位器的旋钮，并观察“ 1 测量”孔处的输出电压（对地）是否为零，反复调节直至输出为零为止。 实验步骤 为： （ 1） 将拨动开关 T1 及 T4 拨向“电桥调零”处，以便进行零位调节， T2 和 T3 拨向“运放调零”处。 （ 2） 调节电位器 K1， K2， K3 和 K4 ，使其极性和读数处在相应的位置上。 （ 3） 功放开关置“ OFF”，电源开关置“ ON”，指示灯亮，调节小车和倒立摆 L1 的零位，使“ X 测量”孔和“ 1 、测量”孔输出电压均为零。 （ 4） 松开下摆的勾簧吊钩，用手扶住摆，然后接通控制电机，即功放开关置“ ON”将手轻轻地离开摆，此时摆应能稳定地立住。 若摆稳定不理想时，再用手扶住摆，微调控制参数 Kt，直到稳住为止。 在 实验过程中， 应 注意以下 事项 ： （ 1）实验装置不工作时，摆一定要用勾簧吊在支撑杆上，不要随便倒在导轨上。 （ 2）开机实验时一定要谨慎小心，最好两个人操作，一人用手将上下摆扶正，另一人启动开关，以防发生机件损坏。 （ 3）小车不能停留在导轨两端处，否则 由于输入信号过大损坏功放（或烧坏电机）。 （ 4）实验装置使用一段时间之后，若传动皮带出现松动，可由工作台面左端的调节机构进行调节。 （ 5）在电路发生故障需要进行修理时，应切断电源，以免不小心开启电源，小车撞到导轨支架上而损坏机件。 （ 6）在每次做完实验之后，应及时切断功放（将功放按钮开关置“ OFF”），否则在下次开机时，小车会碰撞到导轨的两端，以至使机件损坏。 （ 7）当小车处在导轨的某一端时，输入的控制信号最大，功放输出达到最大，电机受到的控制力矩也最大，由于本机采用同步传动，传动带与传动轮不能滑动，此时电 机处在制动状态，传动带上的齿受到的拉力为最大，因此传动带与电机都有可能受到损坏， 北京航空航天大学设计 (论文 ) 第 18 页 故在实验过程中，应尽量避免这种情况发生。 为此在功率放大器的输出端装上一个保险座（位于控制箱后盖板上）将起到一定的保护作用。 系统性能分析与结论 （ 1）模拟控制 极性调整和零完成后，可通过旋钮节相关参数，使倒立摆处于稳定状态。 经过旋转钮，数次调试后得到能使倒立摆稳定的参数，其中 X=， V=， K1=， K2=。 利用程序绘制的上位机界面，观察系统中小车位置 x 以及倒立摆摆动角  变化曲线。 观察倒立摆的调节时间和抗干扰性。 在倒立摆系统稳定后，手动对倒立摆摆动角施加一定强度干扰，得到此时系统相应曲线 如图 所示； 施加位置干扰，在位置上施加 m的扰动，小车经过快速调整后，倒立摆系统仍旧能达到稳态位置，得到此时的模拟控制 系统实响应曲线 如图 所示。 图 模拟控制倒立摆摆动角施加干扰 根据曲线分析可得，系统对于摆动角具有抗干扰性。 在系统达到稳定后，若人为施加一定强度的干扰，系统经过一定时间的振荡可以达 到平衡。 但同时也存在调节时间较长，超调量较大，系统略微振荡的现象。 北京航空航天大学设计 (论文 ) 第 19 页 图 模拟控制小车位置施加干扰 根据曲线分析可得，系统对于摆动角具有抗干扰性。 在系统运行之前，人为将小车移动至 ，再开启控制系统。 根据曲线可知，倒立摆和小车在控制器作用下，在保证系统稳定的前提下，逐渐向小车平衡位置移动，达到稳态。 （ 2） 计算机控制 将实验平台控制模式调至计算机控制，测试系统在计算机控制下的稳定性和抗干扰性。 系统在达到稳定后，人为在倒立摆摆动角处施加一定强度的干扰。 响应曲线如图 所示。 从实时响应曲线 中可以看出系统在扰动后仍能够快速地克服，且与模拟控制相比，需要较少的调节时间就能重新达到稳态，稳态值不变，且在暂态各个状的变化量均不是太大。 重新开启系统，在系统稳定化，在小车位置上施加 的干扰，可得到系统的响应曲线如图 所示。 根据响应可知，小车的位置稳定在。 同时，该控制系统在加入位移扰动后依旧能够快速地达到新的稳态，且暂超调量小调节时间短，具有较好的抗干扰特性。 北京航空航天大学设计 (论文 ) 第 20 页 图 计算机控制倒立摆摆动角施加干扰 图 计算机控制小车位置施加干扰 北京航空航天大学设计 (论文 ) 第 21 页 7 收获和体会 倒 立摆实验是一个经典的控制实验平台，直线倒立摆通过小车的位移控制、摆杆的角度控制达到特定的实验效果。 在这个平台上可以实验并调节各种控制方法。 在设计过程中，首先先对控制对象进行建模分析。 让我学会了对一个相对复杂的物理过程进行分析，通过列写牛顿第二定律微分方程抽象出其在控制过程中所需要的传递函数、状态空间表达。 然后对所得到的控制模型对其稳定性等性质进行分析，与期望特性进行比对，从而设计出所需控制器。 通过仿真结合经典理论的控制理论分析特性曲线，调整参数得到较理想的特性曲线，并验证控制器的合理性，是否满足设计要 求。 最后，在实验平台上，通过模拟控制和计算机控制，通过不断调试和改进得到理想的控制效果。 在这过程中也体会到了仿真与实际操作、理论与实际的差别。 通过这个实验，我也有机会重温了本科阶段关于控制理论、微机原理和接口技术等课程的多方面重要知识，并将这些知识得以与实际相结合，活学活用。 最后，十分感谢袁老师在整个实验过程中的耐心讲解与帮助，对袁老师的严谨和细致感到敬佩。 感谢同组的同学一起合作完成了这个实验，没有每一个人的贡献与合作，实验也不会进行的这么顺利。 希望通过这次实验学到的和收获的，应用到今后的学习、工作 中去，更大地受益于自己的发展。 参考文献 1. 倒立摆控制系统实验说明书，袁少强 2. 计算机控制系统列实验指导书。