基于虚拟样机倒立摆的控制系统研究

摘要

倒立摆系统是一个典型的机电一体化系统。倒立摆属于典型的单输入多输出、多变量、非线性、强耦合，不稳定的高阶系统。它不仅具有生动直观的教学特点，而且在研究方面同样具有重要的价值。研究倒立摆系统除了有很强的理论意义外，同时也具有深远的现实意义，如在研究双足机器人直立行走、火箭发射过程的姿态调整和直升机飞行控制领域中具有重要的现实意义，相关的科研成果已经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。因此长期以来倒立摆是控制理论及其应用领域里引起人们关注的问题。
　　 本文阐述了倒立摆系统的研究发展过程和现状，推导了倒立摆的数学模型，分析了倒立摆系统的特性，对倒立摆系统的可控性进行了深入的分析，并通过阶跃响应验证了倒立摆系统不稳定性。在多体系统动力学仿真分析软件ADAMS环境下建立了倒立摆的虚拟样机，详细论述了如何将虚拟样机调入控制分析软件Simulink中，并与Simulink中的控制器有机连接，进行机电一体化系统的联合仿真的过程。分别利用根轨迹法和频率响应法设计了控制器，分别比较了控制器在数学模型和虚拟样机下的控制效果，使虚拟样机在倒立摆仿真中的优越性得到了充分的说明，最后详细论述模糊控制理论及模糊PID控制器的设计过程，通过双模糊PID串联的方式达到对小车位置和摆杆角度控制的目的。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 倒立摆系统简介

1.2 倒立摆系统的研究意义

1.3 倒立摆系统的控制方法

1.4 本论文主要内容

第二章 倒立摆数学模型及系统分析

2.1 倒立摆数学建模

2.1.1 微分方程的推导

2.1.2 系统物理参数

2.1.3 实际系统模型

2.2 倒立摆系统分析

2.2.1 倒立摆系统特性分析

2.2.2 倒立摆系统可控性分析

2.2.3 倒立摆系统阶跃响应分析

第三章 基于虚拟样机的倒立摆建模

3.1 虚拟样机介绍

3.1.1 ADAMS软件简介

3.1.2 ADAMS软件的组成

3.2 倒立摆机械系统虚拟样机构造

3.3 倒立摆联合系统仿真

第四章 控制器的设计及仿真

4.1 倒立摆根轨迹校正控制器及仿真

4.1.1 根轨迹分析

4.1.2 根轨迹校正

4.1.3 MATLAB仿真

4.2 倒立摆频率响应法控制器及仿真

4.2.1 频率响应分析

4.2.2 频率响应校正

4.2.3 MATLAB仿真

4.3 模糊PID控制器的设计及仿真

4.3.1 模糊控制的工作原理

4.3.2 模糊控制器设计的基本方法

4.3.3 模糊控制及PID

4.3.4 模糊PID控制器参数整定原则

4.3.5 模糊控制器设计

4.3.6 PID预整定值的确定

4.3.7 双回路模糊PID控制器

第五章 总结与展望

致谢

参考文献