一阶直线倒立摆平衡控制研究

一阶倒立摆作为一种实验设备,在教学和科研过程中发挥着重要的作用。倒立摆系统以其自身的非线性、强耦合、多变量和自然不稳定特性,成为检验各种控制理论和方法的理想模型,是长期以来国内外控制领域研究的一个典型问题。但在目前国内的倒立摆控制研究中,多数的研究还局限于计算机软件仿真阶段。本课题结合自制的一阶倒立摆实验平台,就“模糊控制算法”在该系统中应用情况,展开研究。 根据一阶倒立摆系统的物理模型,分别应用牛顿力学、拉格朗日方程以及能量守恒定律建立了系统的动力学数学模型。为了进行控制系统的设计,对模型进行了线性化和简化；通过模型仿真实验证明,该简化是合理的。针对控制系统分别设计了双闭环模糊控制器及动态模糊控制器,并在simulink环境下搭建各种控制器的仿真模型,通过实验验证了控制器的有效性,得出了双闭环模糊控制器与动态模糊控制器均能够实现系统的平衡控制的结论。 设计了电气控制系统的硬件部分,实现了以S7-200型PLC为核心的一阶倒立摆控制系统；同时,对系统性能进行了分析,并通过实物测试验证了分析的合理性。 本文提出的可以在PLC上实现的双闭环模糊控制方法,具有根据系统状态控制系统驱动力来实现系统的稳定控制、调试简单、系统响应快速等优点,实验表明其具有良好的动态性能和鲁棒性。