基于dSPACE仿真平台的一阶直线倒立摆控制研究

摘要

倒立摆是自然不稳定的非线性系统,具有多变量、强耦合等特点。其结构简单、参数易变,控制效果显示直观,是检验控制理论正确性及控制器性能的理想实验平台。在机器人、航天、军工及一般工业过程领域中,倒立摆的控制技术都具有很大的应用价值。
　　本文将仿真分析和半实物仿真实验结合起来,利用dSPACE半实物仿真平台,在线调整参数,实时监视系统状态,及时测试控制器性能,实现较大量测噪声环境下的一阶直线倒立摆平衡控制。首先应用拉格朗日方程对一阶直线倒立摆系统进行数学建模,采用模糊控制算法来实现倒立摆平衡控制。为克服传统模糊控制输入变量多、推理规则设置复杂等缺点,提出一种单输入规则动态链接模糊控制算法(SIRMs),结合了状态反馈控制和模糊控制的优点,简化模糊控制器推理结构。同线性二次型最优控制(LQR)相比,鲁棒性较强,控制过程平滑。由于实物系统中的摆杆角速度无法直接测量,采取电位器测量倒立摆摆角信号时,摆角信号会伴随有较大量测噪声。虽然通过计算可以获得角速度信号,但会在系统中引入噪声,造成系统失稳、甚至损坏设备。本文使用卡尔曼滤波器估计摆角及角速度信号,再引入控制器,可有效减少噪声对控制系统的影响。最后,基于dSPACE实验系统在一阶倒立摆实物平台上进行实时半实物实验,实验结果验证了本文设计的SIRMs控制器与卡尔曼滤波器的有效性。

目录

基于dSPACE仿真平台的一阶直线倒立摆控制研究

THE BALANCE CONTROL OF SINGLE LINEAR INVERTED PENDULUM BASED ON DSPACE SIMULATION PLATFORM

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 一阶倒立摆系统建模与分析

2.1 一阶直线倒立摆数学模型的建立

2.2系统能控性分析

2.3仿真模型验证

2.4 电位器实际摆角检测信号分析

2.5 本章小结

第3章 一阶直线倒立摆控制系统

3.1 状态反馈控制简介

3.2 一阶直线倒立摆SIRMs模糊控制

3.3 状态滤波估计算法

3.4 控制系统仿真

3.5 本章小结

第4章 半实物仿真硬件系统

4.1 dSPACE实时半实物仿真平台

4.2 一阶直线倒立摆实物装置

4.3 半实物仿真实验流程

4.4 本章小结

第5章 半实物仿真实验

5.1 系统仿真程序

5.2 实际系统控制器调试

5.3电位器检测平衡控制实验

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢