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直线倒立摆系统


       倒立摆系统是一个非线性自然不稳定系统,是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等,都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。除教学用途外,倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性使得许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象。从研究倒立摆控制方法中发掘出新的控制方法,并将其应用于航天科技和机器人学等各种高新科技领域。

       直线倒立摆采用一体化设计结构,开放的控制解决方案和模块化的实验平台,全方位满足本科生自动控制理论基础课程的教学和研究需要。
       特点
       1.一体化结构:
       机械本体及控制器都放置在仪器箱中,体积小巧。 
       2.安装方便,系统可靠:     使用时只需要打开箱盖,插上连接线,将摆杆固定杆竖起即可以使用,不需要其他安装工作。
       3.系统可靠,信价比高:     由于选择都是工业上产品部件,器件不裸露,所以可靠性高,适合本科学生重复使用,同时价格较低。
       4.开放式平台,基础教学为主:     采用开放式结构,以WINDOWS平台为主,适合教学与研究需要;为配合本科<自动控制理论>课程实验需要,开设了一系列针对该课程的实验内容。实验内容丰富,贴切。

倒立摆的控制方法 
    倒立摆系统的输入为小车的位移和摆杆相对的倾斜角度,计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车的实际位置与摆杆的实际角度信号,与期望值进行比较后,通过控制算法得到控制量,再经数模转换驱动直流电机运动实现倒立摆的实时控制。直流电机通过皮带带动小车在固定的轨道上运动,摆杆的一端安装在小车上,能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。作用力u平行于导轨的方向作用于小车,使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转,小车沿着水平导轨运动。当没有作用力时,摆杆处于竖直向下位置。为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定,需要给小车一个控制力,使其在轨道上被往前或朝后拉动。

实验设备技术参数

序号

技 术 类 别

      技术参数

1

运动参数

有效行程

 400mm

最大速度

 3m/s

摆杆长度

 300mm

2

驱动方式

电机类型

 直流伺服电机

控制模式

 速度控制模式(模拟量)

控制方法

 单板机+电机

传动方式

 同步带

3

反馈参数

反馈通道

 2个

反馈元气件

 500线编码器

4

通讯方式

 USB 端口

5

整机参数

电源

 220V/1A

外型尺寸

 620X350X200mm

重量

 12KG

包装

 铝合金仪器箱

6

标配附件

1 光盘  1张
    2 1.5 M USB数据线 1根
    3 220V电源线 1根 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 实验内容目录

 实验一  运动控制基础实验 

 摆杆角度测量实验

 电机位移试验

 实验二  便携式直线一级倒立摆建模、仿真及实验

 倒立摆数学模型的牛顿力学推导

 详细的simulink建模过程

 可控可观性分析

 阶跃响应仿真 

 实验三  根轨迹控制实验

 根轨迹校正方法

 校正的m文件

 仿真及实时控制 

 实验四  频率响应控制实验 

 频率响应校正方法

 校正的m文件

 仿真及实时控制

 实验五  PID控制实验 

 位置式PID控制方法

 仿真调试及实时控制

 实验六  状态空间极点配置控制实验 

 极点配置方法

 MATLAB求取、仿真及实时控制

 实验七  线性二次最优控制LQR控制实验 

 LQR控制算法的实现机理

 LQR参数求取的MATLAB程序、仿真及实时控制

 实验八  一级倒立摆自动摆起控制实验

 Bang_Bang自摆起控制算法实现机理以及对应的实时控制

 能量积累自摆起控制算法的实现机理以及对应的实时控制

 
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