毕业论文-基于LabVIEW的倒立摆控制系统设计

本科毕业设计基于LabVIEW的倒立摆控制系统设计姓名张明法学院信息与电气工程学院专业电气工程及其自动化年级2010学号20103615375指导教师冯树林2014年5月15日独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。此声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日毕业论文（设计）使用授权声明本人完全了解鲁东大学关于收集、保存、使用毕业论文（设计）的规定。本人愿意按照学校要求提交论文（设计）的印刷本和电子版，同意学校保存论文（设计）的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存论文（设计）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布论文（设计）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者：年月日目录1引言...................................................................22倒立摆系统组成和LABVIEW介绍.........................................22.1倒立摆系统组成......................................................22.1.1倒立摆分类........................................................22.2LABVIEW简介......................................................32.2.1LABVIEW控件的简单介绍.........................................43倒立摆系统的建模与分析................................................53.1倒立摆系统的建模....................................................53.1.1倒立摆系统建模原理...............................................63.1.2系统状态空间模型.................................................73.1.3系统传递函数模型.................................................83.1.4系统的前面板和程序框图...........................................93.2LQR的分析与设计..................................................123.2.1LQR的建模.....................................................123.2.2LQR的VI设计..................................................143.3基于LABVIEW的仿真...............................................163.3.1VI的设计.......................................................163.3.2VI的实时仿真...................................................194总结与展望.............................................................224.1总结...............................................................224.2展望...............................................................23参考文献................................................................23致谢...................................................................24鲁东大学本科毕业设计1基于LabVIEW的倒立摆控制系统设计张明法（信息与电气工程学院，电气工程及其自动化专业，2010级3班,20103615375）摘要：倒立摆是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统，其原理是《现代控制理论》中最基本最具有代表性的原理[1]。本文采用LabVIEW8.5软件对倒立摆系统进行建模，建模采用牛顿受力分析定律，得到系统的状态空间模型、传递函数模型以及对系统的稳定性的分析。应用线性二次型最优控制算法（LQR)[2]控制系统的稳定性，最终实现了倒立摆控制系统的建模、计算、分析等计算机仿真过程,验证倒立摆控制系统设计的有效性。关键词：倒立摆；LabVIEW；二次型最优控制算法;InvertedPendulumControlSystemDesignBasedonLabVIEWZhangMingfa(MajorofElectricalEngineeringandAutomation,SchoolofInformationandElectricalEngineering)Abstract：Invertedpendulumisahigher,multivariateandnon-linearsystem,withcharacteristicsofinstabilityandclosecoupling.ItisthemostfundamentalandrepresentativeprincipleinTheoryofModernControl.ThispaperusesLabVIEW,acontrolsimulationsoftwaredevelopedbyNI,tovisualizesimulation.Inordertoimplementmodeling,calculation,analysisandothercomputersimulationunderinvertedpendulum,itintroducescontrolsystemdesignofLabVIEW8.5.FirstbyusingNewton’smechanicstheory,modelingdemonstratesstatespacemodelandtransferfunctionmodelofinvertedpendulumanditsstableanalysis.ThenthispaperusesLQR(LinearQuadraticRegulator)tocontrolthestabilityofthissystem.FinallyitintroducesLabVIEWtoimplementsimulationandverifythevalidityofinvertedpendulum.Keywords:invertedpendulum;LabVIEW;LQR.鲁东大学本科毕业设计21引言谈到倒立摆系统我们并不陌生，在我们的接触当中，它由一个摆杆和小车构成。其工作原理简单易懂：首先让小车做直线运动，此时摆杆开始摆动，一段时间后，加入控制力使摆杆保持稳定，处于倒立的状态。由于其原理是《现代控制理论》中最基本最具有代表性的原理，他是典型的不稳定、强耦合、多变量的系统，这种系统广泛的应用在物理模型，机器人控制模型和火箭发射对接模型中。他已经成为人们研究各种控制理论的基本理论。倒立摆的构成非常简单，形象又美观，控制参数简易，成本低廉，成为了大多数科研人员研究的对象。由NI公司开发的LabVIEW控制仿真软件，当它作为开发软件时，能够非常直观的观测出被控对象的变化曲线。正是因为倒立摆系统的广泛应用，加上其原理对于虚拟仪器模拟的相似性，比如航天飞船的控制、医疗控制、电力生产的模拟控制、数字飞机控制、建筑工程控制等[1]，研究好其基本原理同实际问题的结合是当前世界各个国家科研人员所研究的的重点对象，在控制理论中它已经成为各国科研人员研究的经久不衰的课题。2倒立摆系统组成和LabVIEW介绍在LabVIEW的倒立摆控制系统设计中，控制部分在LabVIEW的前面板中都有所体现，根据倒立摆系统的组成对其控制系统建模，计算分析，仿真绘图的过程，最终验证系统的有效性。LabVIEW是由NI公司开发的控制仿真软件，将函数变为图形化，其简单直观，现在已经成为人们研究控制系统非常重要的软件。2.1倒立摆系统组成倒立摆系统是一个非线性的系统，具有不稳定的特性，由一个摆杆和小车构成。小车作直线运动带动摆杆左右摇摆。在加入控制力之后摆杆最终恢复稳定倒立于垂直小车的上部。倒立摆是进行控制理论教学和开展各种控制实验的理想平台。倒立摆按种类可以分为复合倒立摆、环形式倒立摆、直线倒立摆、平面倒立摆等；按摆杆的级数可以分为四个等级：一级倒立摆是基础的模型，二级、三级和四级倒立摆是一级倒立摆的升级版，统称为多级倒立摆，属于复杂的倒立摆系统。[3]2.1.1倒立摆分类（一）复合倒立摆鲁东大学本科毕业设计3复合倒立摆是刚刚兴起的一种新型的倒立摆。其组成听起来很复杂，实际上与直线倒立摆的性质一样，非常简单，主要构成部分是运动本体和摆杆。大体上也可分为单级倒立摆和多级倒立摆两种形式。最简单的倒立摆形式是一级摆杆，多级倒立摆是对一级倒立摆的升级。倒立摆的级数越高，其控制难度越大。四级倒立摆是目前可以实现的最高级别的倒立摆。（二）环形式倒立摆环形倒立摆的组成相对复杂一点，它由一个摆体组件和一个环形运动体作为载体构成。所谓环形运动体就是以中心为圆心能够做圆周运动的物体，摆杆组件连接在环形运动体上，随着环形运动体一起做圆周运动，环形倒立摆摆体组件的级数相对复杂些，它能够串连或并联连接在环形体上，所以组成倒立摆形式有各种各样的。（三）直线倒立摆直线倒立摆是最简单的倒立摆模型，它有一个可以作直线运动的小车和装在小车上的摆杆构成，直线运动小车可以自由运动，摆杆随着小车来回摆动，由摆杆的不同来区别倒立摆的类型，摆体组件也有一级、二级、三级和四级四种。（四）平面倒立摆平面倒立摆的构成与环形倒立摆的性质相同，是把摆杆组件装在能够做平面运动的运动载体上。平面运动载体是由XY平台和SCARA机械臂构成；摆体组件可以组成许多类别的倒立摆，如一级、二级、三级和四级倒立摆。级数越高，倒立摆越复杂。[4]2.2LabVIEW简介LabVIEW是一种图形化编程软件，由美国NI（NationalInstrumentsCorpNI）公司推出。1986年，美国NI公司首先提出了虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）的概念。虚拟仪器是刚刚兴起的一种应用在各个领域远程控制的新技术，操作它就像是在操作一台传统电子仪器，但是又跟传统电子仪器不同。虚拟仪器的技术更加简单灵活，能依据用户个人意愿设计专属于自己的程序。美国NI公司推出的LabVIEW软件是最具代表性的图形化编辑语言。它用图标代替文本行创建应用程序。与传统仪器相比，LabVIEW能简化程序的开发，提高编程效率。只要充分利用了LabVIEW充足资源和强大功能，科研技术人员就能快速简捷地完成自己的工作任务。[5]LabVIEW主要由两部分构成：一是简单明了易操作的前面板，在前面板上提供了许多仪器面板中的控制对象，如输入控件、旋钮控件、布尔开关控件及图形输出控件等。我们通过使用前面板的各个