一级倒立摆的自平衡控制与仿真_机械工程及自动化.rar

摘要:在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。其作为一个装置，成本低廉，结构简单；作为一个被控对象，又是一个相当复杂、高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的系统，只有采取行之有效的方法才能使之稳定。

论文综述了倒立摆的研究历史，介绍了倒立摆系统在工程实际中的应用研究现状以及倒立摆系统的控制方法。研究了倒立摆系统的结构和特性，用牛顿力学方法建立一级倒立摆系统的数学模型，并在平衡点附近进行线性化。重点介绍了PID控制器的结构和控制方法，PID控制的国内外研究现状和发展趋势。PID控制器具有结构简单、易于实现以及具有较强的适应性和鲁棒性，并且可以获得良好的动态性能和稳态性能。论文应用PID控制理论设计了一级倒立摆系统的PID控制器，并用MATLAB软件和ADAMS软件对倒立摆系统进行控制仿真以验证控制算法的正确性。仿真结果证明本文设计的PID控制器能够实现一级倒立摆系统的自平衡控制。

关键词：一级倒立摆；PID控制；MATLAB；ADAMS；仿真

目录

摘要

abstract

第1章 绪论-1

1.1 选题的背景-1

1.2 课题的意义和应用前景-1

1.3 课题的研究现状-2

1.4 论文主要研究内容-4

第2章 倒立摆系统简介-5

2.1 倒立摆系统的分类-5

2.2 倒立摆系统的特性-7

2.3 倒立摆系统的控制目标-8

2.4 倒立摆系统的控制方法-8

2.5. 一级倒立摆硬件组成-9

2.5.1 一级倒立摆本体-10

2.5.2 电控箱-10

2.5.3 控制平台-10

2.6 本章小结-10

第3章 一级倒立摆数学模型的建立-11

3.1 一级倒立摆系统描述-11

3.2一级倒立摆系统的数学建模-11

3.2.1一级倒立摆系统运动方程的推导-11

3.2.2 一级倒立摆系统稳定性分析-13

3.2.3 一级倒立摆控制方法的确定-14

3.3 本章小结-15

第4章 PID控制器设计-17

4.1 PID控制的简述-17

4.2 国内外研究现状和发展趋势-17

4.3 PID控制器的结构-18

4.4 PID控制系统设计原理-19

4.5 PID参数整定方法-20

4.6 一级倒立摆PID控制器设计-20

4.6.1 一级倒立摆摆杆角度控制-20

4.6.2 一级倒立摆小车位置控制-22

4.7 本章小结-23

第5章 一级倒立摆的控制仿真-25

5.1 MATLAB/Simulink简介-25

5.2 ADAMS简介-25

5.3 一级倒立摆PID控制算法在MATLAB中的仿真-26

5.3.1 一级倒立摆角度控制仿真-26

5.3.2 一级倒立摆小车位置控制仿真-28

5.3.3 一级倒立摆双闭环PID控制算法仿真-29

5.4 一级倒立摆系统的联合仿真-31

5.4.1 MATLAB与ADAMS联合仿真意义-31

5.4.2 联合仿真的设计步骤-31

5.5本章小结-41

第6章 结论与展望-43

6.1 结论-43

6.2 不足之处及未来展望-43

致谢-45

参考文献-47