倒立擺是一種復(fù)雜、時(shí)變、非線性、強(qiáng)耦合、自然不穩(wěn)定的高階系統(tǒng)，許多抽象的控制理論概念都可以通過倒立擺實(shí)驗(yàn)直觀的表現(xiàn)出來，是控制理論方面課程的新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，也是進(jìn)行控制理論研究的很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。論文對倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，完成了一級倒立擺系統(tǒng)機(jī)械部分、運(yùn)動(dòng)控制模塊及教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了這三部分的聯(lián)合調(diào)試，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了倒立擺的自起和倒立平衡控制。 用Solidworks完成了倒立擺機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體建模，并對系統(tǒng)進(jìn)行了干涉檢查、虛擬裝配、工程圖生成。將生成的機(jī)械模型導(dǎo)入虛擬樣機(jī)軟件ADAMS中，結(jié)合控制軟件Matlab／Simulink完成了倒立擺系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。 對構(gòu)成倒立擺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電機(jī)、編碼器和運(yùn)動(dòng)控制模塊等主要部件進(jìn)行了比較選擇。確定了以交流伺服電機(jī)、增量式光電編碼器和基于DSP技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制器為主要硬件組合。所選的運(yùn)動(dòng)控制器具有良好的性能，從而提高了系統(tǒng)的控制精度。 設(shè)計(jì)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體的程序流程框圖，軟件系統(tǒng)使用C語言編寫。其中倒立擺自起采用能量控制算法實(shí)現(xiàn)；倒立平衡控制部分應(yīng)用線性最優(yōu)控制算法和PID算法實(shí)現(xiàn)。用該軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制率計(jì)算、控制輸出、數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示、動(dòng)畫顯示等功能。 對機(jī)械部分、控制硬件部分和教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件部分進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，并對能量控制算法和線性最優(yōu)控制算法在該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了一級倒立擺系統(tǒng)自起和倒立平衡控制。擺桿角度穩(wěn)態(tài)誤差≤1.7°，達(dá)到了較好的水平。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2006
【中圖分類】：TH122
【文章目錄】：
獨(dú)創(chuàng)性說明
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 倒立擺系統(tǒng)概述
    1.2 控制理論的發(fā)展及其在倒立擺控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
    1.3 課題研究內(nèi)容和意義
        1.3.1 課題研究內(nèi)容
        1.3.2 課題意義
2 倒立擺系統(tǒng)基本參數(shù)的確定
    2.1 倒立擺系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
    2.2 倒立擺數(shù)學(xué)模型
    2.3 倒立擺控制算法
        2.3.1 PID控制算法
        2.3.2 線性二次型最優(yōu)控制
    2.4 倒立擺基于MATLAB/Simulink的仿真
        2.4.1 系統(tǒng)模型的建立
        2.4.2 仿真分析
3 虛擬樣機(jī)技術(shù)在倒立擺設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
    3.1 倒立擺機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
        3.1.1 SolidWorks軟件簡介
        3.1.2 機(jī)械部分總體設(shè)計(jì)
        3.1.3 小車部分設(shè)計(jì)
        3.1.3 軌道支座設(shè)計(jì)
        3.1.4 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)
        3.1.5 機(jī)械系統(tǒng)整體裝配
    3.2 倒立擺機(jī)械和控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真
        3.2.1 仿真方法
        3.2.2 機(jī)械模型導(dǎo)入ADAMS
        3.2.3 仿真并分析結(jié)果
4 控制系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)
    4.1 控制系統(tǒng)部件選擇
        4.1.1 電機(jī)選擇
        4.1.2 位置傳感器
        4.1.3 運(yùn)動(dòng)控制模塊
    4.2 運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用
    4.3 運(yùn)動(dòng)控制器外圍接口
    4.4 運(yùn)動(dòng)控制器的指令系統(tǒng)
        4.4.1 指令格式
        4.4.2 指令分類
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試
    5.1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        5.1.1 采樣周期選擇
        5.1.2 時(shí)間中斷實(shí)現(xiàn)
    5.2 倒立擺系統(tǒng)控制算法實(shí)現(xiàn)
        5.2.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器設(shè)計(jì)
        5.2.2 倒立擺自起算法實(shí)現(xiàn)
        5.2.3 倒立擺倒立平衡控制控制算法實(shí)現(xiàn)
    5.3 安全檢測
    5.4 漢字處理
    5.5 實(shí)驗(yàn)軟件界面
    5.6 系統(tǒng)調(diào)試
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
附錄A: 倒立擺機(jī)械設(shè)計(jì)工程圖
附錄B: 實(shí)驗(yàn)軟件程序設(shè)計(jì)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝
大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書

【引證文獻(xiàn)】

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1 高紅霞;袁玲;張梅;蔡錦龍;陳建軍;鄒存麗;;“現(xiàn)代控制理論”實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)思考與探索[J];實(shí)驗(yàn)室科學(xué);2010年05期

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2 張燕;LabWindows/CVI在倒立擺控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D];新疆大學(xué);2011年

3 張鴻雁;基于多種群遺傳算法的模糊控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];東北石油大學(xué);2011年

4 李華;變形移動(dòng)機(jī)器人的仿真研究[D];山東科技大學(xué);2007年

5 高曉艷;一類具時(shí)滯的人機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及分支分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

6 焦靈俠;模糊控制在倒立擺系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D];西安工業(yè)大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2883358