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一阶倒立摆控制的仿真研究
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一种提高模糊控制器控制精度的方法
优质期刊推荐一阶直线倒立摆平衡控制研究--《大连理工大学》2014年硕士论文
一阶直线倒立摆平衡控制研究
【摘要】：一阶倒立摆作为一种实验设备,在教学和科研过程中发挥着重要的作用。倒立摆系统以其自身的非线性、强耦合、多变量和自然不稳定特性,成为检验各种控制理论和方法的理想模型,是长期以来国内外控制领域研究的一个典型问题。但在目前国内的倒立摆控制研究中,多数的研究还局限于计算机软件仿真阶段。本课题结合自制的一阶倒立摆实验平台,就“模糊控制算法”在该系统中应用情况,展开研究。
根据一阶倒立摆系统的物理模型,分别应用牛顿力学、拉格朗日方程以及能量守恒定律建立了系统的动力学数学模型。为了进行控制系统的设计,对模型进行了线性化和简化；通过模型仿真实验证明,该简化是合理的。针对控制系统分别设计了双闭环模糊控制器及动态模糊控制器,并在simulink环境下搭建各种控制器的仿真模型,通过实验验证了控制器的有效性,得出了双闭环模糊控制器与动态模糊控制器均能够实现系统的平衡控制的结论。
设计了电气控制系统的硬件部分,实现了以S7-200型PLC为核心的一阶倒立摆控制系统；同时,对系统性能进行了分析,并通过实物测试验证了分析的合理性。
本文提出的可以在PLC上实现的双闭环模糊控制方法,具有根据系统状态控制系统驱动力来实现系统的稳定控制、调试简单、系统响应快速等优点,实验表明其具有良好的动态性能和鲁棒性。
【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TP13【目录】：
摘要4-5Abstract5-81 绪论8-20 1.1 课题研究背景及研究目的及意义8-9 1.2 国内外研究现状9-18
1.2.1 倒立摆系统结构研究9-15
1.2.2 倒立摆系统控制方法研究15-18 1.3 本文主要内容18-202 一阶直线倒立摆系统建模20-31 2.1 基于机理法建模20-28
2.1.1 牛顿力学方法建模21-22
2.1.2 拉格朗日方程方法建模22-24
2.1.3 物理守恒定律方法建模24-26
2.1.4 倒立摆模型线性化26-27
2.1.5 系统能控性与能观性分析27-28 2.2 模型验证28-30 2.3 本章小结30-313 一阶倒立摆控制系统模糊控制器设计31-43 3.1 基于双闭环模糊控制系统设计31-36
3.1.1 双闭环模糊控制系统设计31-32
3.1.2 控制器变量隶属函数32-34
3.1.3 模糊控制器控制规则34
3.1.4 闭环模糊控制器仿真实验34-36 3.2 基于双闭环动态模糊控制系统设计36-42
3.2.1 动态模糊控制器设计36-40
3.2.2 控制算法简化40-41
3.2.3 动态模糊控制器仿真实验41-42 3.3 本章小结42-434 一阶倒立摆实验系统构建43-56 4.1 机械系统实现43-44 4.2 电控系统组成44-49
4.2.1 系统供电45
4.2.2 摆角测量装置45-46
4.2.3 电平转换电路46-48
4.2.4 PLC资源分配48-49 4.3 一阶倒立摆系统实物实验49-55
4.3.1 实验系统总体结构49-50
4.3.2 主程序设计方案50-51
4.3.3 初始化程序设计51
4.3.4 手动方式程序设计51-52
4.3.5 自动方式程序设计52-54
4.3.6 实验结果及分析54-55 4.4 本章小结55-56结论56-57参考文献57-60附录 PLC程序60-68攻读硕士学位期间发表学术论文情况68-69致谢69-70
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