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基于LabVIEW的平面倒立摆控制系统的研究
作 者: 鲁智安
导 师: 杨铁牛
学 校: 五邑大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: 平面倒立摆 LabVIEW LQR控制器 三维仿真
分类号: TP13
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 41次
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内容摘要
倒立摆是一个不稳定的系统,需要外界不断的进行输入才‘能保持稳定,它具有快速响应、高阶次、多变量、非线性、开环不稳定的特点。对倒立摆控制系统的研究可以反映控制理论中的很多问题,如镇定性,稳定性、能控性、能观性等,同时许多新的控制理论可以用倒立摆系统进行验证。在实际中,倒立摆系统的控制方法有着广泛的用途,例如卫星的姿态控制、起重机的稳钩装置,机器人的行走控制等。本文通过对平面倒立摆系统的研究,建立平面倒立摆系统的数学模型和完成控制器的设计;并以虚拟仪器软件LabVIEW作为平面倒立摆系统的控制系统开发工具,结合固高GPIP-2002平面倒立摆系统硬件平台,实现了平而倒立摆的控制。本文的主要研究内容包括:1.通过网络、图书馆、数据库等方式查阅相关资料,了解倒立摆系统的研究现状和意义,确定以平面倒立摆系统作为主要的研究对象。并通过分析验证,运用LabVIEW作为控制系统的软件平台是可行的。2.对平面倒立摆系统的模型进行分析,运用拉格朗日方程建立了平面一级、二级倒立摆系统的一般性数学模型,并在平衡点对方程进行线性化的处理,得到了x和Y方向上解耦的、线性化的状态方程。3.对固高平面倒立摆系统进行稳定性、能观性、能控性的结构性能分析,设计了平面一级和二级倒立摆系统的线性二次最优控制器,并进行大量的仿真实验,确定了加权矩阵Q和R。4.对非NI公司的运动控制卡在LabVIEW的使用做了介绍,并设计了固高公司GT400-SV-PCI运动控制卡在LabVIEW环境下的驱动函数库,运用该驱动函数库实现XY数控平台的控制,验证了该驱动函数库的正确性。5.通过SolidWorks建立平面倒立摆系统的三维模型,然后通过三维图片工具包导入到LabVIEW中,用控制设计与仿真工具包设计倒立摆系统的仿真,把仿真的输出与倒立摆系统的三维模型连接起来,实现了平面倒立摆系统的三维仿真。6.通过调用GT400-SV-PCI运动控制卡在LabVIEW环境下的驱动函数库,设计了平面一级倒立摆系统X方向、Y方向和XY方向同时控制的系统,并在固高平面倒立摆系统上实现了倒立摆控制,验证了平而倒立摆系统模型、LQR控制器的正确性。
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全文目录
摘要 4-6 Abstract 6-8 目录 8-11 第一章 绪论 11-17 1.1 课题概述 11-12 1.1.1 研究的背景与基础 11-12 1.2 国内外研究现状 12-14 1.2.1 倒立摆的研究现状及发展 12-13 1.2.2 研究目标与意义 13-14 1.3 研究的技术路线及关键技术 14-16 1.3.1 研究的技术路线 14 1.3.2 研究的关键技术 14-16 1.4 研究章节安排 16-17 1.4.1 章节安排 16-17 第二章 平面倒立摆的数学模型 17-30 2.1 平面倒立摆的物理模型 17-18 2.2 平面倒立摆的数学模型 18-29 2.2.1 平面一级倒立摆的数学建模 19-23 2.2.2 平面二级倒立摆的数学建模 23-29 2.3 本章小结 29-30 第三章 系统性能的分析及LQR设计 30-44 3.1 实验倒立摆的系统模型 30-32 3.1.1 固高倒立摆模型的参数 30-31 3.1.2 固高倒立摆的数学模型 31-32 3.2 系统的结构特性进行分析 32-34 3.2.1 稳定性 32-33 3.2.2 能控性 33 3.2.3 能观性 33-34 3.3 倒立摆的LQR设计 34-36 3.3.1 线性二次型最优控制介绍 34-36 3.3.2 加权矩阵Q和R的确定 36 3.4 平面倒立摆的线性二次型最优控制 36-43 3.4.1 平面一级倒立摆 37-40 3.4.2 平面二级倒立摆 40-43 3.5 本章小结 43-44 第四章 控制系统软硬件连接 44-53 4.1 倒立摆控制系统的硬件和软件 44-45 4.1.1 倒立摆的硬件组成 44 4.1.2 倒立摆系统的软件 44-45 4.1.3 倒立摆系统的工作过程 45 4.2 LabVIEW调用非NI公司的运动控制卡 45-48 4.2.1 动态链接库(DLL)的编写 46 4.2.2 动态链接库的调用 46-48 4.3 基于LabVIEW的GT400-SV驱动程序的设计 48-50 4.3.1 调用GT400-SV动态链接库 48-49 4.3.2 驱动程序的错误处理 49-50 4.4 驱动函数Ⅵ测试 50-52 4.4.1 控制准备 50-51 4.4.2 控制思想 51-52 4.5 本章小结 52-53 第五章 固高倒立摆系统的三维仿真 53-59 5.1 建立倒立摆系统模型 53-55 5.1.1 在LabVIEW中的三维图形建立 53-54 5.1.2 在SolidWorks中建立倒立摆的三维模型 54-55 5.2 倒立摆三维模型的约束设置 55-56 5.2.1 倒立摆系统自由度的分析 55-56 5.3 倒立摆状态方程和控制器的设计 56-57 5.3.1 倒立摆状态方程 56-57 5.4 仿真程序的开发 57-58 5.4.1 程序框图的设计 57 5.4.2 倒立摆的三维仿真结果 57-58 5.5 本章小结 58-59 第六章 固高平面倒立摆的控制 59-65 6.1 控制系统的编制 59-61 6.1.1 编程思想 59 6.1.2 控制器操作过程 59 6.1.3 需要注意的问题 59-61 6.2 控制效果分析 61-63 6.2.1 控制效果 61-63 6.3 与固高系统比较 63-64 6.4 本章小结 64-65 第七章 结论与展望 65-67 7.1 结论 65 7.2 展望 65-67 参考文献 67-70 攻读硕士期间发表的论文 70-71 致谢 71-72 附录 72-73
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化基础理论 > 自动控制理论
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