基于LabVIEW的球杆系统建模、仿真及实验研究

论文摘要

球杆系统是一个典型的非线性开环不稳定系统,广泛用于自动控制原理的教学和实验研究,对设计新的控制方法,验证控制方法的稳定性、快速性、精确性有重要的意义。本文通过动力学分析和程序设计建立了基于LabVIEW的球杆系统的数字仿真模型,为研究球杆系统的动态过程提供了有力的数学工具。主要完成的工作如下:1.本文通过矢量分析法、动量矩定理等方法进行建模,建立球杆系统的数学模型,包括了四杆机构的运动学和动力学模型,考虑了小球的惯性力及其对系统的影响。2.在LabVIEW环境下完成了球杆系统的数字仿真程序设计。通过数学计算,动态地求出了球杆系统微分方程组的系数,微分方程组是变系数、非线性的,通过多重循环结构实现了动态仿真。3.将SolidWorks三维模型导入LabVIEW,完成了球杆系统运动过程的三维可视化。4.实现了基于NI-cRIO的球杆控制系统,小球的位置信号存在很大的干扰,设计了卡尔曼滤波算法进行滤波,采用三闭环PID控制结构实现了小球的实时控制。5.该控制系统也作为球杆系统的实验测试平台,将实验数据和仿真数据进行了对比,非常吻合,证明了所建立的数学模型是正确的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和研究意义
• 1.1.1 球杆系统
• 1.1.2 课题的背景和研究意义
• 1.2 球杆系统国内外的研究现状
• 1.2.1 球杆系统实验装置的研究现状
• 1.2.2 球杆系统数学模型的研究现状
• 1.2.3 球杆系统的控制方法研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 球杆系统数学建模
• 2.1 球杆实际系统概述
• 2.2 球杆系统的数学模型的建立
• 2.2.1 建模方法的确定
• 2.2.2 四杆机构运动学分析计算
• 2.2.3 无小球时四杆机构的动力学分析
• 2.2.4 有小球时的动力学分析
• 2.2.5 数学模型总结
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于LabVIEW的数字仿真程序设计
• 3.1 球杆系统数字仿真
• 3.2 球杆系统的三维可视化
• 3.3 仿真试验
• 3.3.1 无小球时的数字仿真
• 3.3.2 有小球时的数字仿真
• 3.3.3 小球在平衡位置受到扰动的仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 卡尔曼滤波器的设计与实验分析
• 4.1 卡尔曼滤波基本原理
• 4.2 本实验中卡尔曼滤波器的结构
• 4.3 球杆系统实验装置及其结构
• 4.4 直接输入电压时系统的响应及对比
• 4.5 PID控制时系统的响应及对比
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1 无小球时仿真子程序
• 附录2 三维模型部分程序
• 附录3 无小球时的模拟程序
• 附录4 有小球时仿真子程序
• 附录5 电机位置环控制器
• 附录6 卡尔曼滤波器
• 附录7 数字仿真模型有关系数的计算
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果