自控一阶倒立摆

1防灾科技学院防灾仪器系综合性、设计性实验报告专业：测控技术与仪器班级：1350322姓名：张晓康学号：135032228实验项目名称：实验项目类型：综合性□设计性□实验课程名称：自动控制原理课程代码：2010028实验室名称：北校411指导教师：吴燕雄实验完成时间：2015年12月28日/2015～2016学年第1学期2实验成绩给定说明1．综合性实验：实验成绩总分以100分计，其中实验准备占10％，实验操作占40％，实验结论（数据或图表、程序等）占30%，实验报告占10%、考勤及其它占10％。2．设计性实验：实验成绩总分以100分计，其中实验设计（方案制订）占20%，实验准备占10％，实验操作占20%，实验结论（数据或图表、程序等）占30%，实验报告占10%、考勤及其它占10％。3．实验报告评分参考标准：1．实验准备充分（10分）2．实验操作（或过程）完整，对步骤及实验中间产生的实验现象有详细描述（20分，综合性实验此项40分）。3．实验结论有原始数据或图表、程序等，且结论准确（30分）4．实验设计方案或流程等合理，方案制订详细清晰（20分，综合性无此项）5．实验报告内容完整，无空白，能独立完成报告、书写工整、认真（10分）。6、考勤及其它（10分）3一、实验内容（简述）：1.一级倒立摆系统系统特性分析a)时域分析法b)根轨迹分析法c)频域分析法2.一级倒立摆系统系统PID控制器设计a)PID控制器结构控制b)PID控制参数设定及仿真二、实验目的与要求：1.学会自动控制系统的时域分析、根轨迹分析、频域分析方法和PID控制的原理。2.学会MATLAB仿真环境下的提示技术。3.用时域分析、根轨迹分析、频域分析方法分别完成一级倒立摆系统的分析；完成一级倒立摆系统的PID控制器设计，实现倒立摆系统的自平衡控制。三、实验仪器及设备、耗材：电脑、MATLAB软件等。四、设计原理、设计方案及流程等：倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。由于控制理论的广泛应用，由此系统研究产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截控制系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制和一般工业应用等方面具有广阔的利用开发前景。倒立摆4已经由原来的直线一级倒立摆扩展出很多种类，典型的有直线倒立摆环形倒立摆，平面倒立摆和复合倒立摆等，本次实验采用的是直线一级倒立摆。倒立摆的形式和结构各异，但所有的倒立摆都具有以下的特性:1)非线性2)不确定性3)耦合性4)开环不稳定性5)约束限制倒立摆控制器的设计是倒立摆系统的核心内容，因为倒立摆是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰，需要给系统设计控制器，本小组采用的控制方法有：PID控制、双PID控制、LQR控制、模糊PID控制、纯模糊控制五、实验操作（过程）描述（包括主要步骤、成果分析、代码分析、实验分析等）根据已经得到系统的状态方程，先对其进行阶跃响应分析，在MATLAB中键入以下命令：clear;A=[0100;0000;0001;0029.40];B=[0103]';C=[1000;0100];D=[00]';step(A,B,C,D)在MATLAB下绘制系统的Bode图和奈奎斯特图。在MATLAB中键入以下命令：clear;num=[0.02725];den=[0.01021250-0.26705];z=roots(num);p=roots(den);subplot(2,1,1)bode(num,den)subplot(2,1,2)nyquist(num,den)5六、实验结论（包括实验数据、图表、程序）：0200040006000800010000To:Out(1)050100150050100150To:Out(2)StepResponseTime(seconds)Amplitude-100-500Magnitude(dB)100101102-180-180-180Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/s)-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10-1-0.500.51x10-8NyquistDiagramRealAxisImaginaryAxis1ySumDSumPProportionalGain1sIntegratorIIntegralGainNFilterCoefficient1sFilterDDerivativeGain1u6七、实验总结（或实验体会）：通过运用Simulink进行系统仿真，让我跟够更好的运用matlab软件解决生活中遇到的问题八、实验参考资料：九、实验评语与成绩：1s2TransferFcn10.027250.0102125s+-0.267052TransferFcnStepScope1ScopePID(s)PIDController7综合性实验项目成绩实验操作（35）合计设计性实验项目成绩设计方案（20）合计实验结果（25）实验准备（10）期中考试（20）实验操作（20）实验报告（10）实验结果（30）考勤等（10）实验报告（10）考勤等（10）指导教师签名：年月日注：（1）本表用A4纸打印；当表格不够时，可自由扩展，多页时请双面打印。（2）图表及程序等，请以附录形式出现在实验报告后面。（3）专业主干（核心）课程请在封面用“★”标注清楚。