控制系统数字仿真与CAD 第3版 教学课件 ppt 作者 张晓华 主编 _ 倒立摆运动控制
导师：张晓华 教授 学生：蔡增威 专业：电力电子与电力传动,一阶直线倒立摆 运动控制技术的研究,课题背景,托载“神五”升空 的长征火箭,海上钻井平台,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,国内外研究现状,国外研究现状,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,理论研究深入广泛，多数与工程实践结合，且大部分进行了实物仿真,国内外研究现状,国内研究现状 研究人员较少；开创性研究成果少；大多只进行了软件仿真,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,本课题的研究内容,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,系统数学模型的建立,基本假设: 1)摆杆为匀质刚体细杆； 2)各部分的摩擦力(力矩) 与相对速度(角速度) 成正比； 3)皮带轮与传送带之间无滑动,转送带无伸长现； 4)其它摩擦及阻尼的影响认为很小而忽略。,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,物理模型,系统数学模型的建立,第二类拉格朗日方程 设质点系由n个质点组成,系统具有(3n-s) 个自由度，则： 其中： 为质点系的动能； 为质点系的广义坐标； 为广义力。,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,系统数学模型的建立,基于拉格朗日方程建立的 系统数学模型,不考虑系 统摩擦,忽略摩 擦影响,考虑系统摩擦,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,模型线性化及验证,为了便于控制器的设计计算将系统模型在平衡点处附近进行线性化得：,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,原始模型,线性化模型,模型线性化及验证,单位阶跃输入时 的位移曲线(右1) 单位阶跃输入时 的摆角曲线(右2),简化验证,单位斜坡输入时 的位移曲线(左1) 单位斜坡输入时 的摆角曲线(左2),一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,机械系统设计与实现,一阶倒立摆本 体结构图(右),一阶倒立摆 外观图(左),一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,电控系统设计与实现,控制系统结构 图（下）,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,控制系统外观 图（上）,电控系统设计与实现 电气控制柜,控制柜外观(左)； 控制柜结构图(右),一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,控制面板及显示界面,PLC及EM235,驱动器,信号调理模块,航空插头,电控系统设计与实现,以PLC为核心的电控系统组成,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,电控系统设计与实现,供电系统,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,电控系统设计与实现,信号调理电路,*码盘信号 调理(右),*位置驱动信 号调理(左),一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,差动输入,终端电阻,差动放大,光电耦合,电平转换,差动转换,电控系统设计与实现 摆角检测系统,摆角测量装置机械 结构图(右) 摆角信号变换线路 结构图(下）,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,柜内,车载,电控系统设计与实现 摆角检测系统,摆角信号V/I调理电路,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,滤波,稳压源,隔离电源,输入放大,V/I转换,电流反馈,输出极,摆角 检测,零点调整,电控系统设计与实现 摆角检测系统,摆角检测误差分析,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,模糊控制器设计,模糊逻辑推理系统结构图,模糊化,解模糊,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,模糊控制器设计,常用隶属函数（MF） 三角形隶属函数 梯形隶属函数,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,模糊控制器设计,以Mamdani型模糊推理算法及“极大极小”合成规则进行模糊推理的方法,隶属度聚集,规则激活,输出总和,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,模糊控制器设计,重心法解模糊,隶属函数为连续函数时(左)：,隶属函数为 单点集时(右)：,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,模糊控制器设计,控制结构选择,单模糊控制器系统结构图,双闭环模糊控制结构图,避免维数 灾难,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,625条规则,各50条规则,模糊控制器设计,隶属函数的定义,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,内环变量,外环变量,模糊控制器设计,模糊控制规则的定义,内环模糊控制规则表,外环模糊控制规则表,设计控制规则经验公式:将五个模糊子集 nb,ns,z,ps,pb 分别用数值-2,-1,0,1,2代换，则结论的数字大约为两个 前件数值代数和的一半。,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,模糊控制器设计,控制器输入输出关系,外环控制曲面,内环控制曲面,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,模糊控制器设计,数字仿真结果,闭环系统 阶跃响应 曲线,摆角响应 曲线局部 放大图,放大,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,模糊控制器设计,系统鲁棒性验证,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,第1组,第2组,第3组,状态观测器设计,问题的提出 采用摆角采样值差分求取摆角的变化率时有： 于是有： 当采样周期为0.01s时：,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,与采样时间成反比,无法满足系统实时控制要求,状态观测器设计,状态重构思想 实质就是重新构造一个系统，利用原系统中可直接观测的变量，如输出向量和输入向量作为它的输入信号，并使其输出信号在一定的提法下等价于原系统的状态 一般等价渐 近式的提法：,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,状态观测器设计,降维状态观测器系统结构,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,直联矩阵,被观测系统,状态观测器,状态观测器设计,数字仿真实验,一阶直线倒立摆运动控制技术的研究,摆角响应曲线,摆角响应曲线局部放大图,位移响应曲线,The End,Thank you!,
