倒立摆系统力学分析

倒立摆的力学应用

一、综述、

杂技表演中，艺人用手托起一根立起的竹竿时，他会通过手臂的不断移动来保持平衡，使竹竿不倒，人和竹竿组成的这个系统就叫做一级倒立摆系统。假如两根竹竿上下立在一起（自由连接），下面一根杆和作直线运动的小车自由连接，这个就叫做二级倒立摆系统。

倒立摆是常用的进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台，是检验各种控制理论的重要工具。同时，倒立摆在实际应用中也有着广泛的应用。如：机器人的站立于行走问题类似于双倒立摆系统；在火箭飞行器的飞行过程中保持正确姿态；通信卫星保持稳定姿态以使卫星天线一直指向地球，并使太阳能电池板指向太阳；多极火箭发射的垂直度问题也可以简化为一个多级倒立摆模型。

作为控制课的一部分，我们于本学期开始进行在直线型倒立摆上开展控制实验，为了解决状态空间法设计控制算法的基本问题，对倒立摆进行力学建模是必要的。

用于倒立摆系统建模的主要方法有两种:一种是采用牛顿力学的分析方法，分别对小车和倒立摆进行动力学分析，列出其动力学方程，联立采用小角度线性化得到倒立摆系统的近似线性模型。另一种是拉格朗日方法，将倒立摆系统作为一个整体分析，建立系统的动态微分方程，再采用小角度线性化的方法得到倒立摆系统的近似模型。下面

倒立摆的力学应用

一、综述、

杂技表演中，艺人用手托起一根立起的竹竿时，他会通过手臂的不断移动来保持平衡，使竹竿不倒，人和竹竿组成的这个系统就叫做一级倒立摆系统。假如两根竹竿上下立在一起（自由连接），下面一根杆和作直线运动的小车自由连接，这个就叫做二级倒立摆系统。

倒立摆是常用的进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台，是检验各种控制理论的重要工具。同时，倒立摆在实际应用中也有着广泛的应用。如：机器人的站立于行走问题类似于双倒立摆系统；在火箭飞行器的飞行过程中保持正确姿态；通信卫星保持稳定姿态以使卫星天线一直指向地球，并使太阳能电池板指向太阳；多极火箭发射的垂直度问题也可以简化为一个多级倒立摆模型。

作为控制课的一部分，我们于本学期开始进行在直线型倒立摆上开展控制实验，为了解决状态空间法设计控制算法的基本问题，对倒立摆进行力学建模是必要的。

用于倒立摆系统建模的主要方法有两种:一种是采用牛顿力学的分析方法，分别对小车和倒立摆进行动力学分析，列出其动力学方程，联立采用小角度线性化得到倒立摆系统的近似线性模型。另一种是拉格朗日方法，将倒立摆系统作为一个整体分析，建立系统的动态微分方程，再采用小角度线性化的方法得到倒立摆系统的近似模型。下面

倒立摆系统的发展研究以及意义

摘 要：随着工业、农业、交通运输和国防等各个方面不断发展，这些方面都离不开较高的控制性能，自动控制就有了很大的应用舞台。从二十世纪五十年代到现在，人们对倒立摆的研究不断加深，是研究控制理论的一种实验设备，它具有高阶次、强耦合、非线性、多变量、不稳定等特点的系统，倒立摆系统已经由一级发展到了多级，控制手段也是多种多样。并且倒立摆还具有结构简单，价格低廉等优点，更是被人们应用和推广在很多领域。 本文主要是对倒立摆的研究现状及其意义做简单介绍。

关键词：倒立摆；发展现状；研究意义

1 倒立摆研究的背景

随着控制理论、计算机技术、以及信息技术的飞速发展很多新的理论和控制算法不断地出现倒立摆系统逐渐被人们用来检验控制方法的有效性。通过人们的不断研究拓展，倒立摆系统已经由一级发展到了二级、三级、四级乃至更多级，并且产生了平面倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆等多样式倒立摆，其控制手段也是多种多样的。由于其结构简单，价格低廉，物理结构和参数容易调整等特点，在工业和航天业中的控制系统中倒立摆系统有很大的应用舞台，对倒立摆系统理论的研究都有着深远的意义，是人们生活、学习、以及对于控制方法和理论的验证具有非常大的意义。

任何理论的研

Matlab程序设计

上交作业要求：

1）纸质文档：设计分析报告一份（包括系统建模、系统分析、系统设计思路、程序

及其执行结果）。

2）Matlab程序：按班级统一上交后备查。

题目一：

考虑如图所示的倒立摆系统。图中，倒立摆安装在一个小车上。这里仅考虑倒立摆在图面内运动的二维问题。

图 倒立摆系统

假定倒立摆系统的参数如下。

摆杆的质量：m=0.1g 摆杆的长度：2l=1m 小车的质量：M=1kg 重力加速度：g=10/s2 摆杆惯量：I=0.003kgm2 摆杆的质量在摆杆的中心。

设计一个控制系统，使得当给定任意初始条件(由干扰引起)时，最大超调量? %≤10%，

调节时间ts ≤4s ，使摆返回至垂直位置，并使小车返回至参考位置(x=0)。

要求：1、建立倒立摆系统的数学模型

2、分析系统的性能指标——能控性、能观性、稳定性

3、设计状态反馈阵，使闭环极点能够达到期望的极点，这里所说的期望的极点确定是把系统设计成具有两个主导极点，两个非主导极点，这样就可以用二阶系统的分析方法进行参数的确定

4、用MATLAB 进行程序设计，得到设计后系统的脉冲响应、阶跃响应，绘出相应状态变量的时间响应图。

题目二：

根据自身的课题情况，任意选择

线控大作业

如图所示的倒立摆系统。图中，倒立摆安装在一个小车上。这里仅考虑倒立摆在图面内运动的二维问题。

图 倒立摆系统

假定倒立摆系统的参数如下。

摆杆的质量：m=0.1g 摆杆的长度：2l=1m 小车的质量：M=1kg 重力加速度：g=10/s2 摆杆惯量：I=0.003kgm2 摆杆的质量在摆杆的中心。

设计一个控制系统，使得当给定任意初始条件(由干扰引起)时，最大超调量

? %≤10%，

调节时间ts ≤4s ，使摆返回至垂直位置，并使小车返回至参考位置(x=0)。

要求：1、建立倒立摆系统的状态方程

2、定量分析,定性分析系统的性能指标——能控性、能观性、稳定性 3、极点配置

设计分析报告

1 系统建模

在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统。如下如所示。

图 一级倒立摆模型

其中：

φ 摆杆与垂直向上方向的夹角

θ 摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下） 图是系统中小车和摆杆的受力分析图。其中，N和P为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。

注意：在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向

内蒙古科技大学课程设计说明书

内蒙古科技大学 本科生课程设计论文

题 目：直线一级倒立摆系统建模

仿真实验

学生姓名：赵永明 学 号：1067112225 专 业：测控技术与仪器 班 级：10-2班 指导教师：梁丽

2013年 12 月 5 日

内蒙古科技大学课程设计说明书

摘 要

本文主要研究的是一级倒立摆的PID控制问题，并对其PID的参数进行了优化，优化算法是遗传算法。倒立摆是典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统。由于在实际中有很多这样的系统，因此对它的研究在理论上和方法论上均有深远的意义。本文首先简单的介绍了一下倒立摆以及倒立摆的控制方法，并对其参数优化算法做了分类介绍。然后，介绍了本文选用的优化参数的算法遗传算法的基本理论和操作方法。接着建立了一级倒立摆的数学模型，并求出其状态空间描述。本文着重讲述的是利用遗传算法来对PID的参数进行优化的实现方法。最后，用Simulink对系统进行了仿真，得出遗传算法在实际控制中是一种较为理想的PID参数优化方法的结论。

关键词：PID控制器；一级倒立摆；仿真

内蒙古科技大学课程设计说明书

目录

摘要 ............................

倒立摆课程设计报告

课程设计说明书

课程名称： 控制系统课程设计 设计题目：一阶倒立摆控制器设计 院 系： 信息与电气工程学院 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间：2013年2月25日到2013年3月8号

1

倒立摆课程设计报告

课程设计（论文）任务书

专 业 学 生 题 目 子 题 设计时间 自动化 班 级 指导教师 一阶倒立摆课程设计 2013年 2 月 25 日 至 2013 年 3 月 8 日 共 2 周 设计（论文）的任务和基本要求，包括设计任务、查阅文献、方案设计、说明书（计算、图纸、撰写内容及规范等）、工作量等内容。 1．建立一阶倒立摆数学模型 2．做模型仿真试验 （1）给出Matlab仿真程序。 （2）给出仿真结果和响应曲线。 3．倒立摆系统的PID控制算法设计 设计PID控制器，使得当在小车上施加1N的脉冲信号时，闭环系统的响应指标为： （1）稳定时间小于5秒 （2）稳态时摆杆与垂直方向的夹角变化小于0

内蒙古科技大学课程设计说明书

内蒙古科技大学 本科生课程设计论文

题 目：直线一级倒立摆系统建模

仿真实验

学生姓名：赵永明 学 号：1067112225 专 业：测控技术与仪器 班 级：10-2班 指导教师：梁丽

2013年 12 月 5 日

内蒙古科技大学课程设计说明书

摘 要

本文主要研究的是一级倒立摆的PID控制问题，并对其PID的参数进行了优化，优化算法是遗传算法。倒立摆是典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统。由于在实际中有很多这样的系统，因此对它的研究在理论上和方法论上均有深远的意义。本文首先简单的介绍了一下倒立摆以及倒立摆的控制方法，并对其参数优化算法做了分类介绍。然后，介绍了本文选用的优化参数的算法遗传算法的基本理论和操作方法。接着建立了一级倒立摆的数学模型，并求出其状态空间描述。本文着重讲述的是利用遗传算法来对PID的参数进行优化的实现方法。最后，用Simulink对系统进行了仿真，得出遗传算法在实际控制中是一种较为理想的PID参数优化方法的结论。

关键词：PID控制器；一级倒立摆；仿真

内蒙古科技大学课程设计说明书

目录

摘要 ............................

倒立摆实验报告

机自82

组员：李宗泽 李航 刘凯 付荣

直线一级倒立摆系统建模仿真实验

一、 实验目的:

1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法；

2、学会使用Matlab/Simulink建模和仿真的方法；

3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。 4.学习MATLAB工具软件在控制工程中的应用

5.掌握对实际系统进行建模的方法，熟悉利用MATLAB 对系统模型进行仿真，对实验结果进行观察和分析，非常直观的感受控制器的控制作用。 二. 实验设备

计算机及MATLAB.VC等相关软件 三．倒立摆系统介绍

倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案

倒立摆实验报告

机自82

组员：李宗泽 李航 刘凯 付荣

直线一级倒立摆系统建模仿真实验

一、 实验目的:

1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法；

2、学会使用Matlab/Simulink建模和仿真的方法；

3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。 4.学习MATLAB工具软件在控制工程中的应用

5.掌握对实际系统进行建模的方法，熟悉利用MATLAB 对系统模型进行仿真，对实验结果进行观察和分析，非常直观的感受控制器的控制作用。 二. 实验设备

计算机及MATLAB.VC等相关软件 三．倒立摆系统介绍

倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案