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1、1自动控制理论课程设计设计指导书自动控制理论课程设计设计指导书题目：倒立摆系统的控制器设计题目：倒立摆系统的控制器设计题目：倒立摆系统的控制器设计题目：倒立摆系统的控制器设计 2uu 课程设计概述课程设计概述课程设计概述课程设计概述控制系统设计控制系统设计控制系统设计控制系统设计工程设计工程设计工程设计工程设计课程设计课程设计课程设计课程设计uu 倒立摆系统的控制器设计倒立摆系统的控制器设计倒立摆系统的控制器设计倒立摆系统的控制器设计倒立摆系统概述倒立摆系统概述倒立摆系统概述倒立摆系统概述数学模型的建立数学模型的建立数学模型的建立数学模型的建立开环响应分析开环响应分析开环响应分析开环响应分析根
2、轨迹法设计根轨迹法设计根轨迹法设计根轨迹法设计频域法设计频域法设计频域法设计频域法设计总结总结总结总结PIDPID控制器设计控制器设计控制器设计控制器设计uu 倒立摆系统的实时控制倒立摆系统的实时控制倒立摆系统的实时控制倒立摆系统的实时控制课程设计报告内容课程设计报告内容课程设计报告内容课程设计报告内容3课程设计概述课程设计概述工程设计工程设计工程设计工程设计可认为是工程师创造性地运用他所拥有可认为是工程师创造性地运用他所拥有可认为是工程师创造性地运用他所拥有可认为是工程师创造性地运用他所拥有的知识和材料，创建一个特定产品或特定系统。的知识和材料，创建一个特定产品或特定系统。的知识和材料，创建
3、一个特定产品或特定系统。的知识和材料，创建一个特定产品或特定系统。 设计过程设计过程设计过程设计过程就是为达到特定的目的，构思或创建系就是为达到特定的目的，构思或创建系就是为达到特定的目的，构思或创建系就是为达到特定的目的，构思或创建系统的结构、组成和技术细节的过程。统的结构、组成和技术细节的过程。统的结构、组成和技术细节的过程。统的结构、组成和技术细节的过程。设计的设计的设计的设计的根本目的根本目的根本目的根本目的就是要达到合适的技术指标。设就是要达到合适的技术指标。设就是要达到合适的技术指标。设就是要达到合适的技术指标。设计新的系统或产品时，设计复杂性、折衷处理、设计计新的系统或产品时，设
4、计复杂性、折衷处理、设计计新的系统或产品时，设计复杂性、折衷处理、设计计新的系统或产品时，设计复杂性、折衷处理、设计差异和设计风险是设计工作所固有的。差异和设计风险是设计工作所固有的。差异和设计风险是设计工作所固有的。差异和设计风险是设计工作所固有的。在工程设计中，在工程设计中，在工程设计中，在工程设计中，分析分析分析分析和和和和综合综合综合综合是两种必不可少而且是两种必不可少而且是两种必不可少而且是两种必不可少而且非常重要的思维模式。分析关注的焦点是所研究的物非常重要的思维模式。分析关注的焦点是所研究的物非常重要的思维模式。分析关注的焦点是所研究的物非常重要的思维模式。分析关注的焦点是所研究
5、的物理系统的各种模型，并通过对模型的分析得到真知灼理系统的各种模型，并通过对模型的分析得到真知灼理系统的各种模型，并通过对模型的分析得到真知灼理系统的各种模型，并通过对模型的分析得到真知灼见，确定设计改进的方向。而综合则侧重于构建所设见，确定设计改进的方向。而综合则侧重于构建所设见，确定设计改进的方向。而综合则侧重于构建所设见，确定设计改进的方向。而综合则侧重于构建所设计的新的系统。计的新的系统。计的新的系统。计的新的系统。4控制系统设计控制系统设计控制系统设计控制系统设计是工程设计的一个特例。是工程设计的一个特例。是工程设计的一个特例。是工程设计的一个特例。 对控制工程对控制工程对控制工程对
6、控制工程师而言，首要的任务应是设计能达到预期控制性能的系师而言，首要的任务应是设计能达到预期控制性能的系师而言，首要的任务应是设计能达到预期控制性能的系师而言，首要的任务应是设计能达到预期控制性能的系统结构配置，包括统结构配置，包括统结构配置，包括统结构配置，包括传感器传感器传感器传感器、受控对象受控对象受控对象受控对象、执行机构执行机构执行机构执行机构和和和和控制控制控制控制器器器器。譬如，根据实现控制任务的工艺要求选择被控对象，。譬如，根据实现控制任务的工艺要求选择被控对象，。譬如，根据实现控制任务的工艺要求选择被控对象，。譬如，根据实现控制任务的工艺要求选择被控对象，选择能有效调节对象工
7、作性能的装置作为执行机构，选选择能有效调节对象工作性能的装置作为执行机构，选选择能有效调节对象工作性能的装置作为执行机构，选选择能有效调节对象工作性能的装置作为执行机构，选择合适的传感器测量被控参数，接下来就是设计或选择择合适的传感器测量被控参数，接下来就是设计或选择择合适的传感器测量被控参数，接下来就是设计或选择择合适的传感器测量被控参数，接下来就是设计或选择控制器。控制器。控制器。控制器。设计过程的最后步骤是调节系统参数以便获得所期设计过程的最后步骤是调节系统参数以便获得所期设计过程的最后步骤是调节系统参数以便获得所期设计过程的最后步骤是调节系统参数以便获得所期望的系统性能。如果通过参数调
8、节达到了期望的系统性望的系统性能。如果通过参数调节达到了期望的系统性望的系统性能。如果通过参数调节达到了期望的系统性望的系统性能。如果通过参数调节达到了期望的系统性能，设计工作就告结束，可着手形成设计文档。否则，能，设计工作就告结束，可着手形成设计文档。否则，能，设计工作就告结束，可着手形成设计文档。否则，能，设计工作就告结束，可着手形成设计文档。否则，就需要改进系统结构配置，甚至可能需要选择功能更强就需要改进系统结构配置，甚至可能需要选择功能更强就需要改进系统结构配置，甚至可能需要选择功能更强就需要改进系统结构配置，甚至可能需要选择功能更强的执行机构和传感器。此后就是重复上述设计步骤，直的执
9、行机构和传感器。此后就是重复上述设计步骤，直的执行机构和传感器。此后就是重复上述设计步骤，直的执行机构和传感器。此后就是重复上述设计步骤，直到满足了设计指标的要求，或者确认设计指标的要求过到满足了设计指标的要求，或者确认设计指标的要求过到满足了设计指标的要求，或者确认设计指标的要求过到满足了设计指标的要求，或者确认设计指标的要求过于苛刻，必须放宽指标要求。于苛刻，必须放宽指标要求。于苛刻，必须放宽指标要求。于苛刻，必须放宽指标要求。5课程设计课程设计课程设计课程设计是围绕一门专业基础课或专业课的是围绕一门专业基础课或专业课的是围绕一门专业基础课或专业课的是围绕一门专业基础课或专业课的内容所进行
10、的内容所进行的内容所进行的内容所进行的实践性教学环节实践性教学环节实践性教学环节实践性教学环节，是在教师的指导，是在教师的指导，是在教师的指导，是在教师的指导下对学生进行阶段性专业实践训练，培养学生工下对学生进行阶段性专业实践训练，培养学生工下对学生进行阶段性专业实践训练，培养学生工下对学生进行阶段性专业实践训练，培养学生工程意识、创新意识、经济意识和科技意识，对学程意识、创新意识、经济意识和科技意识，对学程意识、创新意识、经济意识和科技意识，对学程意识、创新意识、经济意识和科技意识，对学生实际知识水平、综合分析能力、独立设计能力生实际知识水平、综合分析能力、独立设计能力生实际知识水平、综合分
11、析能力、独立设计能力生实际知识水平、综合分析能力、独立设计能力等进行检验的教学过程。等进行检验的教学过程。等进行检验的教学过程。等进行检验的教学过程。自动控制原理课程设计自动控制原理课程设计自动控制原理课程设计自动控制原理课程设计的目的是让学生掌握的目的是让学生掌握的目的是让学生掌握的目的是让学生掌握对实际系统进行建模的方法，利用古典控制理论对实际系统进行建模的方法，利用古典控制理论对实际系统进行建模的方法，利用古典控制理论对实际系统进行建模的方法，利用古典控制理论对控制系统进行控制器的设计，熟悉利用对控制系统进行控制器的设计，熟悉利用对控制系统进行控制器的设计，熟悉利用对控制系统进行控制器的
12、设计，熟悉利用MATLAB / SIMULINKMATLAB / SIMULINK对控制系统进行仿真分析对控制系统进行仿真分析对控制系统进行仿真分析对控制系统进行仿真分析和设计。培养学生对控制系统进行分析和设计的和设计。培养学生对控制系统进行分析和设计的和设计。培养学生对控制系统进行分析和设计的和设计。培养学生对控制系统进行分析和设计的能力，培养学生综合运用所学专业知识解决实际能力，培养学生综合运用所学专业知识解决实际能力，培养学生综合运用所学专业知识解决实际能力，培养学生综合运用所学专业知识解决实际问题的能力。问题的能力。问题的能力。问题的能力。6uu 课程设计概述课程设计概述课程设计概述课
13、程设计概述控制系统设计控制系统设计控制系统设计控制系统设计工程设计工程设计工程设计工程设计课程设计课程设计课程设计课程设计uu 倒立摆系统的控制器设计倒立摆系统的控制器设计倒立摆系统的控制器设计倒立摆系统的控制器设计倒立摆系统概述倒立摆系统概述倒立摆系统概述倒立摆系统概述数学模型的建立数学模型的建立数学模型的建立数学模型的建立开环响应分析开环响应分析开环响应分析开环响应分析根轨迹法设计根轨迹法设计根轨迹法设计根轨迹法设计频域法设计频域法设计频域法设计频域法设计总结总结总结总结PIDPID控制器设计控制器设计控制器设计控制器设计uu 倒立摆系统的实时控制倒立摆系统的实时控制倒立摆系统的实时控制倒
14、立摆系统的实时控制课程设计报告内容课程设计报告内容课程设计报告内容课程设计报告内容7杂技演员通过杂技演员通过杂技演员通过杂技演员通过移动脚尖使伞移动脚尖使伞移动脚尖使伞移动脚尖使伞稳稳立在空中稳稳立在空中稳稳立在空中稳稳立在空中 芭蕾舞演员一只脚芭蕾舞演员一只脚芭蕾舞演员一只脚芭蕾舞演员一只脚尖着地，身体在空尖着地，身体在空尖着地，身体在空尖着地，身体在空中划出优美的姿态中划出优美的姿态中划出优美的姿态中划出优美的姿态整点时钟整点时钟整点时钟整点时钟摆就会左摆就会左摆就会左摆就会左右摆动右摆动右摆动右摆动火箭在空中的姿态火箭在空中的姿态火箭在空中的姿态火箭在空中的姿态调整就可以利用倒调整就可以
15、利用倒调整就可以利用倒调整就可以利用倒立摆控制方法实现立摆控制方法实现立摆控制方法实现立摆控制方法实现 摆的世界：摆的世界：摆的世界：摆的世界：支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装置叫倒立摆。相反，支点在上而重心在下的装置则称为顺摆。置叫倒立摆。相反，支点在上而重心在下的装置则称为顺摆。置叫倒立摆。相反，支点在上而重心在下的装置则称为顺摆。置叫倒立摆。相反，支点在上而重心在下的装置则称为顺摆。现实生活中，摆无处不在，如吊车等都可被看作是一个摆。现实生活中，摆无处不在，如吊车等都可
16、被看作是一个摆。现实生活中，摆无处不在，如吊车等都可被看作是一个摆。现实生活中，摆无处不在，如吊车等都可被看作是一个摆。8一、倒立摆系统概述一、倒立摆系统概述倒立摆的种类：倒立摆的种类：倒立摆的种类：倒立摆的种类：悬挂式、直线、环形、平面倒立悬挂式、直线、环形、平面倒立悬挂式、直线、环形、平面倒立悬挂式、直线、环形、平面倒立摆等。一级、二级、三级、四级乃至多级倒立摆。摆等。一级、二级、三级、四级乃至多级倒立摆。摆等。一级、二级、三级、四级乃至多级倒立摆。摆等。一级、二级、三级、四级乃至多级倒立摆。图图图图 直线一级倒立摆控制系统直线一级倒立摆控制系统直线一级倒立摆控制系统直线一级倒立摆控制系统
17、9系统的组成：系统的组成：系统的组成：系统的组成：倒立摆系统由倒立摆本体，电倒立摆系统由倒立摆本体，电倒立摆系统由倒立摆本体，电倒立摆系统由倒立摆本体，电控箱以及控制平台（包括运动控制卡和控箱以及控制平台（包括运动控制卡和控箱以及控制平台（包括运动控制卡和控箱以及控制平台（包括运动控制卡和PCPC机）三机）三机）三机）三大部分组成。大部分组成。大部分组成。大部分组成。10工程背景：工程背景：工程背景：工程背景：(1) (1) 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统。机器人的站立与行走类似双倒立摆系统。机器人的站立与行走类似双倒立摆系统。机器人的站立与行走类似双倒立摆系统。(2) (2) 在火箭等飞
18、行器的飞行过程中为了保持其正在火箭等飞行器的飞行过程中为了保持其正在火箭等飞行器的飞行过程中为了保持其正在火箭等飞行器的飞行过程中为了保持其正确的姿态要不断进行实时控制。确的姿态要不断进行实时控制。确的姿态要不断进行实时控制。确的姿态要不断进行实时控制。(3) (3) 通信卫星要保持其稳定的姿态使卫星天线一通信卫星要保持其稳定的姿态使卫星天线一通信卫星要保持其稳定的姿态使卫星天线一通信卫星要保持其稳定的姿态使卫星天线一直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。(
19、4)(4)为了提高侦察卫星中摄像机的摄像质量必须为了提高侦察卫星中摄像机的摄像质量必须为了提高侦察卫星中摄像机的摄像质量必须为了提高侦察卫星中摄像机的摄像质量必须能自动地保持伺服云台的稳定消除震动。能自动地保持伺服云台的稳定消除震动。能自动地保持伺服云台的稳定消除震动。能自动地保持伺服云台的稳定消除震动。(5) (5) 多级火箭飞行姿态的控制也可以用多级倒立多级火箭飞行姿态的控制也可以用多级倒立多级火箭飞行姿态的控制也可以用多级倒立多级火箭飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。摆系统进行研究。摆系统进行研究。摆系统进行研究。 倒立摆系统是机器人技术、控制理论、计算机倒立摆系统是机器人技
20、术、控制理论、计算机倒立摆系统是机器人技术、控制理论、计算机倒立摆系统是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合。控制等多个领域、多种技术的有机结合。控制等多个领域、多种技术的有机结合。控制等多个领域、多种技术的有机结合。11 系统建模可以分为两种：机理建模和实验建系统建模可以分为两种：机理建模和实验建系统建模可以分为两种：机理建模和实验建系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的模。对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的模。对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的模。对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的系统，实验建模存在一定的困难。
21、机理建模就是系统，实验建模存在一定的困难。机理建模就是系统，实验建模存在一定的困难。机理建模就是系统，实验建模存在一定的困难。机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、化学等学科的知识和数学手段建立起系统内部变化学等学科的知识和数学手段建立起系统内部变化学等学科的知识和数学手段建立起系统内部变化学等学科的知识和数学手段建立起系统内部变量、输入变量以及输出变量之间的数学关系。量、输入变量以及输出变量之间的数学关系。量、输入变量以及输出变量之间的数学关系。量、输
22、入变量以及输出变量之间的数学关系。二、数学模型的建立二、数学模型的建立12图图图图 直线一级倒立摆模型直线一级倒立摆模型直线一级倒立摆模型直线一级倒立摆模型图图图图 小车及摆杆受力分析小车及摆杆受力分析小车及摆杆受力分析小车及摆杆受力分析N N 和和和和P P 为小车与摆杆为小车与摆杆为小车与摆杆为小车与摆杆相互作用力的水平和相互作用力的水平和相互作用力的水平和相互作用力的水平和垂直方向的分量垂直方向的分量垂直方向的分量垂直方向的分量 。 M M 小车质量小车质量小车质量小车质量1.096 Kg1.096 Kg m m 摆杆质量摆杆质量摆杆质量摆杆质量0.109 Kg0.109 Kg b b
23、小车摩擦系数小车摩擦系数小车摩擦系数小车摩擦系数0.1N/m/sec0.1N/m/sec l l 摆杆转动轴心到质心长度摆杆转动轴心到质心长度摆杆转动轴心到质心长度摆杆转动轴心到质心长度0.25m0.25m I I 摆杆惯量摆杆惯量摆杆惯量摆杆惯量0.0034 kg0.0034 kg mm2 2 F F 加在小车上的力加在小车上的力加在小车上的力加在小车上的力 x x 小车位置小车位置小车位置小车位置 摆杆与垂直向上方向的夹角摆杆与垂直向上方向的夹角摆杆与垂直向上方向的夹角摆杆与垂直向上方向的夹角 摆杆与垂直向下方向的夹角摆杆与垂直向下方向的夹角摆杆与垂直向下方向的夹角摆杆与垂直向下方向的夹角
24、13小车水平方向的合力小车水平方向的合力小车水平方向的合力小车水平方向的合力 摆杆水平方向的合力摆杆水平方向的合力摆杆水平方向的合力摆杆水平方向的合力 摆杆水平方向的运动方程摆杆水平方向的运动方程摆杆水平方向的运动方程摆杆水平方向的运动方程 图图图图 小车及摆杆受力分析小车及摆杆受力分析小车及摆杆受力分析小车及摆杆受力分析14摆杆垂直方向的合力摆杆垂直方向的合力摆杆垂直方向的合力摆杆垂直方向的合力 摆杆垂直方向的运动方程摆杆垂直方向的运动方程摆杆垂直方向的运动方程摆杆垂直方向的运动方程 图图图图 小车及摆杆受力分析小车及摆杆受力分析小车及摆杆受力分析小车及摆杆受力分析摆杆力矩平衡方程摆杆力矩平
25、衡方程摆杆力矩平衡方程摆杆力矩平衡方程15垂直方向的运动方程垂直方向的运动方程垂直方向的运动方程垂直方向的运动方程 水平方向的运动方程水平方向的运动方程水平方向的运动方程水平方向的运动方程 用用用用u u 来代表被控来代表被控来代表被控来代表被控对对象的象的象的象的输输入力入力入力入力F F，线线性化后，性化后，性化后，性化后，两个运两个运两个运两个运动动方程如下方程如下方程如下方程如下( (其中其中其中其中 ) ) ：16如果令如果令如果令如果令，进行拉普拉斯变换，得到进行拉普拉斯变换，得到进行拉普拉斯变换，得到进行拉普拉斯变换，得到 摆杆角度和小车位移的传递函数：摆杆角度和小车位移的传递函
26、数：摆杆角度和小车位移的传递函数：摆杆角度和小车位移的传递函数： 摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：17摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：其中其中其中其中18把把把把实际实际参数代入，可得系参数代入，可得系参数代入，可得系参数代入，可得系统统的的的的实际实际模型：模型：模型：模型：MM=1.096Kg=1.096Kgmm=0.109Kg=0.109Kgb
27、 b=0.1N/m/sec=0.1N/m/secl l=0.25m=0.25mI I=0.0034 kg=0.0034 kg mm2 219三、开环响应分析三、开环响应分析当输入为小车加速度时：当输入为小车加速度时：当输入为小车加速度时：当输入为小车加速度时： 摆杆角度的单位脉冲响应摆杆角度的单位脉冲响应摆杆角度的单位脉冲响应摆杆角度的单位脉冲响应 摆杆角度的单位阶跃响应摆杆角度的单位阶跃响应摆杆角度的单位阶跃响应摆杆角度的单位阶跃响应 小车位置的单位脉冲响应小车位置的单位脉冲响应小车位置的单位脉冲响应小车位置的单位脉冲响应 小车位置的单位阶跃响应小车位置的单位阶跃响应小车位置的单位阶跃响应小
28、车位置的单位阶跃响应20% % 程序示例程序示例程序示例程序示例% open loop response of the pendulums angle for impulse force % open loop response of the pendulums angle for impulse force M = 0.5;M = 0.5;m = 0.2;m = 0.2;b = 0.1;b = 0.1;I= 0.006;I= 0.006;g = 9.8;g = 9.8;l = 0.3;l = 0.3;q = (M+m)*(I+m*l2)-(m*l)2; q = (M+m)*(I+m*l2)-
29、(m*l)2; num = m*l/q 0 0num = m*l/q 0 0den = 1 b*(I+m*l2)/q -(M+m)*m*g*l/q -b*m*g*l/q 0den = 1 b*(I+m*l2)/q -(M+m)*m*g*l/q -b*m*g*l/q 0% open loop system response for impluse signal% open loop system response for impluse signalt = 0 : 0.05 : 5;t = 0 : 0.05 : 5;impulse( num , den , t )impulse( num , d
30、en , t )axis ( 0 1 0 60 )axis ( 0 1 0 60 )21开环传递函数：开环传递函数：开环传递函数：开环传递函数：四、根轨迹法设计四、根轨迹法设计调调整整整整时间时间最大超最大超最大超最大超调调量量量量设计设计控制器，使得校正后系控制器，使得校正后系控制器，使得校正后系控制器，使得校正后系统统的性能指的性能指的性能指的性能指标满标满足：足：足：足：221 1、控制器根、控制器根、控制器根、控制器根轨轨迹法迹法迹法迹法设计过设计过程程程程2 2、时时域分析域分析域分析域分析 摆摆杆角度的杆角度的杆角度的杆角度的单单位位位位阶跃阶跃响响响响应应、单位脉冲扰动响应单位脉
31、冲扰动响应单位脉冲扰动响应单位脉冲扰动响应 小小小小车车位置的位置的位置的位置的单位阶跃响应、单位阶跃响应、单位阶跃响应、单位阶跃响应、单单位脉冲位脉冲位脉冲位脉冲扰动扰动响响响响应应23开环传递函数：开环传递函数：开环传递函数：开环传递函数：五、频域法设计五、频域法设计设计控制器，使得校正后系统的设计控制器，使得校正后系统的设计控制器，使得校正后系统的设计控制器，使得校正后系统的性能指标满足：性能指标满足：性能指标满足：性能指标满足：(1) (1) 系统的静态位置误差常数为系统的静态位置误差常数为系统的静态位置误差常数为系统的静态位置误差常数为1010；(2) (2) 相位裕量为相位裕量为相
32、位裕量为相位裕量为 5050 ；(3) (3) 增益裕量等于或大于增益裕量等于或大于增益裕量等于或大于增益裕量等于或大于10 10 分贝。分贝。分贝。分贝。241 1、控制器、控制器、控制器、控制器频频域法域法域法域法设计过设计过程程程程2 2、时时域分析域分析域分析域分析 摆摆杆角度的杆角度的杆角度的杆角度的单单位位位位阶跃阶跃响响响响应应、单位脉冲扰动响应单位脉冲扰动响应单位脉冲扰动响应单位脉冲扰动响应 小小小小车车位置的位置的位置的位置的单位阶跃响应、单位阶跃响应、单位阶跃响应、单位阶跃响应、单单位脉冲位脉冲位脉冲位脉冲扰动扰动响响响响应应25开环传递函数：开环传递函数：开环传递函数：开
33、环传递函数：六、六、PID控制器设计控制器设计设计或调整设计或调整设计或调整设计或调整PIDPID控制器参数，使得校正后系统的控制器参数，使得校正后系统的控制器参数，使得校正后系统的控制器参数，使得校正后系统的性能指标满足：性能指标满足：性能指标满足：性能指标满足：调调整整整整时间时间最大超最大超最大超最大超调调量量量量261 1、PIDPID控制器参数控制器参数控制器参数控制器参数调调整整整整过过程程程程2 2、时时域分析域分析域分析域分析 摆摆杆角度的杆角度的杆角度的杆角度的单单位位位位阶跃阶跃响响响响应应、单位脉冲扰动响应单位脉冲扰动响应单位脉冲扰动响应单位脉冲扰动响应 小小小小车车位置
34、的位置的位置的位置的单位阶跃响应、单位阶跃响应、单位阶跃响应、单位阶跃响应、单单位脉冲位脉冲位脉冲位脉冲扰动扰动响响响响应应27对所用控制系统分析与设计方法的比较分析，对所用控制系统分析与设计方法的比较分析，对所用控制系统分析与设计方法的比较分析，对所用控制系统分析与设计方法的比较分析，在控制系统仿真或在控制系统仿真或在控制系统仿真或在控制系统仿真或/ /和实时控制实验与调试中发现的和实时控制实验与调试中发现的和实时控制实验与调试中发现的和实时控制实验与调试中发现的问题、解决问题的措施，课程设计的收获和体会，问题、解决问题的措施，课程设计的收获和体会，问题、解决问题的措施，课程设计的收获和体会
35、，问题、解决问题的措施，课程设计的收获和体会，指出设计方案有待改进之处，对课程设计的建议等。指出设计方案有待改进之处，对课程设计的建议等。指出设计方案有待改进之处，对课程设计的建议等。指出设计方案有待改进之处，对课程设计的建议等。七、总结七、总结设计手段：手工计算、设计手段：手工计算、设计手段：手工计算、设计手段：手工计算、MATLABMATLAB命令、命令、命令、命令、SimulinkSimulink仿真、仿真、仿真、仿真、 mm文件、文件、文件、文件、 SISO Design ToolSISO Design Tool。本课程设计的主要内容：了解工程应用背景；本课程设计的主要内容：了解工程应
36、用背景；本课程设计的主要内容：了解工程应用背景；本课程设计的主要内容：了解工程应用背景；控制对象特性研究；控制规律选择；控制器设计或、控制对象特性研究；控制规律选择；控制器设计或、控制对象特性研究；控制规律选择；控制器设计或、控制对象特性研究；控制规律选择；控制器设计或、与控制器参数整定；控制系统仿真试验；实时控制与控制器参数整定；控制系统仿真试验；实时控制与控制器参数整定；控制系统仿真试验；实时控制与控制器参数整定；控制系统仿真试验；实时控制实验；控制效果分析；实践报告撰写。实验；控制效果分析；实践报告撰写。实验；控制效果分析；实践报告撰写。实验；控制效果分析；实践报告撰写。281 1、实时
37、控制软件的界面、实时控制软件的界面、实时控制软件的界面、实时控制软件的界面首先在首先在首先在首先在WindowsWindows操作系统环境下启动操作系统环境下启动操作系统环境下启动操作系统环境下启动MATLABMATLAB应用程序，在应用程序，在应用程序，在应用程序，在Command WindowsCommand Windows窗口中窗口中窗口中窗口中键入键入键入键入SimulinkSimulink命令或者点击工具栏上命令或者点击工具栏上命令或者点击工具栏上命令或者点击工具栏上 按钮，启按钮，启按钮，启按钮，启动动动动SimulinkSimulink应用程序。应用程序。应用程序。应用程序。在在
38、在在“ “Simulink Library Browser” Simulink Library Browser” 的的的的“ “Googol Googol Education Products“Education Products“子模块库中，子模块库中，子模块库中，子模块库中，” ”Inverted Inverted Pendulum“Pendulum“模块为固高倒立摆系列示例程序。模块为固高倒立摆系列示例程序。模块为固高倒立摆系列示例程序。模块为固高倒立摆系列示例程序。倒立摆系统的实时控制倒立摆系统的实时控制直线倒立摆安装与使用手册直线倒立摆安装与使用手册直线倒立摆安装与使用手册直线倒立摆
39、安装与使用手册R1.0R1.0：p39-45p39-45固高固高固高固高MATLABMATLAB实时控制软件用户手册：实时控制软件用户手册：实时控制软件用户手册：实时控制软件用户手册：p9-15p9-152930双击双击双击双击 Frequency Response Control DEMOFrequency Response Control DEMO31双击双击双击双击 “ “Controller 1”Controller 1”，设置控制器参数如下图，设置控制器参数如下图，设置控制器参数如下图，设置控制器参数如下图所示。用户可以将零点、极点和增益修改为自己所所示。用户可以将零点、极点和增益修
40、改为自己所所示。用户可以将零点、极点和增益修改为自己所所示。用户可以将零点、极点和增益修改为自己所设计的控制器的参数。设计的控制器的参数。设计的控制器的参数。设计的控制器的参数。322 2、实时控制的实验操作步骤、实时控制的实验操作步骤、实时控制的实验操作步骤、实时控制的实验操作步骤1. 1. 关闭电控箱电源。将小车放在导轨中间。关闭电控箱电源。将小车放在导轨中间。关闭电控箱电源。将小车放在导轨中间。关闭电控箱电源。将小车放在导轨中间。2. 2. 保证摆杆垂直向下稳定。保证摆杆垂直向下稳定。保证摆杆垂直向下稳定。保证摆杆垂直向下稳定。3. 3. 打开电控箱开关，接通电源。打开电控箱开关，接通电
41、源。打开电控箱开关，接通电源。打开电控箱开关，接通电源。4. 4. 打开软件，设置正确的控制器参数，开始实打开软件，设置正确的控制器参数，开始实打开软件，设置正确的控制器参数，开始实打开软件，设置正确的控制器参数，开始实控。控。控。控。5. 5. 手将摆杆柔和地扶起，当电机启动后，手轻手将摆杆柔和地扶起，当电机启动后，手轻手将摆杆柔和地扶起，当电机启动后，手轻手将摆杆柔和地扶起，当电机启动后，手轻轻放开。轻放开。轻放开。轻放开。6. 6. 实验时需手动保证小车不要实验时需手动保证小车不要实验时需手动保证小车不要实验时需手动保证小车不要“ “撞墙撞墙撞墙撞墙” ”7. 7. 实验结束，关闭程序，
42、关闭电控箱。实验结束，关闭程序，关闭电控箱。实验结束，关闭程序，关闭电控箱。实验结束，关闭程序，关闭电控箱。33软件的参数设置及执行步骤如下软件的参数设置及执行步骤如下软件的参数设置及执行步骤如下软件的参数设置及执行步骤如下: :第一步：点击菜单第一步：点击菜单第一步：点击菜单第一步：点击菜单“ “SimulationSimulation SimulationSimulation parameters”parameters”设置仿真参数。点击设置仿真参数。点击设置仿真参数。点击设置仿真参数。点击“ “SolverSolver按照如下框图进行设置。按照如下框图进行设置。按照如下框图进行设置。按照
43、如下框图进行设置。34点击点击点击点击“ “Real-Time WorkshopReal-Time Workshop，在出现的框图，在出现的框图，在出现的框图，在出现的框图中点击中点击中点击中点击“ “Browse”Browse”按钮，按照下图选择实时按钮，按照下图选择实时按钮，按照下图选择实时按钮，按照下图选择实时内核为内核为内核为内核为“ “Real-Time Windows TargetReal-Time Windows Target。然后。然后。然后。然后点击点击点击点击OK”OK”按钮确认。按钮确认。按钮确认。按钮确认。35 第二步：双击第二步：双击第二步：双击第二步：双击 “ “C
44、ontroller 1”Controller 1”，设置控制器参，设置控制器参，设置控制器参，设置控制器参数，点击数，点击数，点击数，点击“ “OK”OK”按钮，使所设控制器参数生效。按钮，使所设控制器参数生效。按钮，使所设控制器参数生效。按钮，使所设控制器参数生效。第三步：编译。点击第三步：编译。点击第三步：编译。点击第三步：编译。点击“ “Tools/Real-Time Tools/Real-Time Workshop/Build Model”Workshop/Build Model”或者工具栏上的或者工具栏上的或者工具栏上的或者工具栏上的 按钮，按钮，按钮，按钮，编译模型。编译模型。编译
45、模型。编译模型。第四步：连接。选择菜单第四步：连接。选择菜单第四步：连接。选择菜单第四步：连接。选择菜单“ “Simulink/External”Simulink/External”，或者在工具栏上，或者在工具栏上，或者在工具栏上，或者在工具栏上 中选择仿真模式为外部模式。接着点击菜单中选择仿真模式为外部模式。接着点击菜单中选择仿真模式为外部模式。接着点击菜单中选择仿真模式为外部模式。接着点击菜单“ “Simulink/Connect to target”Simulink/Connect to target”或者工具栏上或者工具栏上或者工具栏上或者工具栏上 按按按按钮，连接模型。钮，连接模型。
46、钮，连接模型。钮，连接模型。36第五步：运行。点击菜单第五步：运行。点击菜单第五步：运行。点击菜单第五步：运行。点击菜单“ “Simulink/Start”Simulink/Start”，或者工具栏上，或者工具栏上，或者工具栏上，或者工具栏上 按钮，系统开始进行实时控制。按钮，系统开始进行实时控制。按钮，系统开始进行实时控制。按钮，系统开始进行实时控制。用户可通过修改控制器模块结构和参数，用自用户可通过修改控制器模块结构和参数，用自用户可通过修改控制器模块结构和参数，用自用户可通过修改控制器模块结构和参数，用自己的控制算法进行实时控制。己的控制算法进行实时控制。己的控制算法进行实时控制。己的控
47、制算法进行实时控制。373 3、在线的实时参数调整、在线的实时参数调整、在线的实时参数调整、在线的实时参数调整控制软件可以在其正在执行的过程中改变其模控制软件可以在其正在执行的过程中改变其模控制软件可以在其正在执行的过程中改变其模控制软件可以在其正在执行的过程中改变其模块或者块或者块或者块或者MATLABMATLAB变量的参数值，新的参数值立刻取变量的参数值，新的参数值立刻取变量的参数值，新的参数值立刻取变量的参数值，新的参数值立刻取代旧值继续进行实时控制。这个特点使得用户在调代旧值继续进行实时控制。这个特点使得用户在调代旧值继续进行实时控制。这个特点使得用户在调代旧值继续进行实时控制。这个特
48、点使得用户在调试控制参数时显得异常方便。试控制参数时显得异常方便。试控制参数时显得异常方便。试控制参数时显得异常方便。改变模块参数值：先双击想改变参数的模块，改变模块参数值：先双击想改变参数的模块，改变模块参数值：先双击想改变参数的模块，改变模块参数值：先双击想改变参数的模块，改变参数值后，按改变参数值后，按改变参数值后，按改变参数值后，按“ “Apply”Apply”或者或者或者或者 “ “OK” OK” 按钮。按钮。按钮。按钮。改变变量参数值：先在改变变量参数值：先在改变变量参数值：先在改变变量参数值：先在 MATLAB command MATLAB command 命命命命令行中输入改变的变量参数值后，然后点击仿真界令行中输入改变的变量参数值后，然后点击仿真界令行中输入改变的变量参数值后，然后点击仿真界令行中输入改变的变量参数值后，然后点击仿真界面菜单中的面菜单中的面菜单中的面菜单中的 “ “Edit/ Update Diagram” Edit/ Update Diagram” 进行数据更进行数据更进行数据更进行数据更新。新。新。新。
