论文摘要
倒立摆是一个非线性自然不稳定的系统,它能直观反映出很多典型的系统概念,如稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等。因倒立摆系统具有高阶次、不稳定、非线性等特性,因此,研究倒立摆能反映控制中的很多问题,有很重要的理论和实际意义。理论上,很多研究人员将新的控制理论应用倒立摆系统进行验证,在研究倒立摆的同时他们又能发掘出新的控制方法。应用上,倒立摆在航空航天,机器人学等领域都有重要的应用。另外,倒立摆还具有结构简单,造价低廉,反映效果直观等优点。LabVIEW是一种强大的图形化编程软件,与传统的编程软件相比,开发效率更高,对硬件的支持性更好,是目前测控领域应用最广泛和最有前途的软件之一。本文应用NI公司的LabVIEW 2009控制设计工具包作为软件开发工具,实现了直线一级倒立摆控制系统。主要工作和研究成果如下：1、首先,对倒立摆的国内外研究现状及其研究意义进行了简要介绍。对小车进行牛顿力学分析,建立了直线一级倒立摆的数学模型,在非线性平衡点附近进行线性化,并由此推出了系统的状态方程。基于线性化模型对系统进行定性分析,结果表明倒立摆是不稳定、能控、能观的系统。最后应用LabVIEW软件实现了整个过程。2、利用LabVIEW进行了一级倒立摆的LQR控制器的设计和仿真。比较分析了PID控制和最优控制策略,最终应用线性二次型最优控制方法来实现稳摆控制并进行了稳定控制仿真。进行了倒立摆系统的LQR控制器方法研究,运用最优控制理论,探讨了加权矩阵Q和R的选取方法。仿真结果表明在选择好合适的输入量以及Q和R的情况下,得到的LQR控制器其参数有很好的控制性能。3、利用LabVIEW进行了一级倒立摆的PV控制器的设计和仿真。采用PV控制方法设计倒立摆的位置控制器,此控制方法具有简单且安全可靠等优点。在实现起摆的同时,可限制车体位移在规定的范围内,且车体速度不会太大,从而平稳地实现了两种控制方法的切换。4、设计出了模式切换器,使小车能够自动从自起摆模式切换到摆倒立稳定模式,应用LabVIEW软件对倒立摆系统进行仿真,最后将该编程方法应用到Simulink中实现了一级倒立摆系统的实时控制。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 引言1.2 课题的提出及研究意义1.3 倒立摆国内外研究现状1.3.1 倒立摆系统的起摆控制1.3.2 倒立摆系统的稳摆控制1.4 倒立摆控制系统的种类1.4.1 直线倒立摆系列1.4.2 平面倒立摆系列1.4.3 环形倒立摆系列1.4.4 复合倒立摆系列1.5 LabVIEW概述及其控制设计工具包1.5.1 LabVIEW概述1.5.2 LabVIEW控制设计工具包1.6 论文的主要内容第2章 倒立摆系统的建模与定性分析2.1 倒立摆系统的组成2.2 倒立摆的建模2.2.1 模型推导原理2.2.2 微分方程的推导2.2.3 传递函数模型2.2.4 系统方程的状态空间描述2.3 倒立摆系统的定性分析2.3.1 稳定性、能控性和能观性判据2.3.2 系统定性分析2.4 基于LabVIEW的系统建模与定性分析2.4.1 程序设计的流程图2.4.2 所用到的子Ⅵ2.4.3 程序的设计2.5 小结第3章 倒立摆的稳摆控制3.1 基于PID控制实现一级倒立摆的稳定3.1.1 PID控制理论分析与设计3.1.2 直线一级倒立摆摆杆角度控制3.1.3 直线一级倒立摆小车位置控制3.2 基于LabVIEW的PID控制算法仿真3.2.1 直线一级倒立摆摆杆角度控制算法仿真3.2.2 直线一级倒立摆小车位置控制算法仿真3.3 基于线性二次型最优控制实现一级倒立摆的稳定3.3.1 理论分析与设计3.3.2 闭环系统模型3.4 基于LabVIEW的LQR控制器设计3.4.1 程序设计的流程图3.4.2 所用到的子Ⅵ3.4.3 程序的设计3.4.4 LQR控制器参数调节及仿真3.5 小结第4章 倒立摆位置控制4.1 PV控制算法的研究4.1.1 小车的开环传递函数4.1.2 简化动态模型4.1.3 PV控制器的设计4.2 基于LabVIEW的比例-速度控制器的系统仿真4.2.1 程序设计的流程图4.2.2 所用到的子Ⅵ4.2.3 程序的设计4.3 PV控制器参数调节及仿真4.4 小结第5章 倒立摆控制系统的仿真5.1 角度的定义5.2 切换模式5.3 摆动模式5.4 平衡模式5.5 LabVIEW仿真5.6 实时控制5.7 小结总结与展望致谢参考文献攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
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