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基于dSPACE仿真平台的一阶直线倒立摆控制研究

作 者: 任玲
导 师: 张晓华
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 电气工程
关键词: 倒立摆 卡尔曼滤波器 SIRMs模糊控制 dSPACE半实物仿真
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 65次
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-17
  1.1 课题背景及研究意义  8-10
    1.1.1 倒立摆控制研究的背景及意义  8-9
    1.1.2 系统信号检测与估计  9-10
    1.1.3 半实物仿真技术  10
  1.2 国内外研究现状  10-16
    1.2.1 倒立摆控制方法  11-12
    1.2.2 滤波估计方法  12-14
    1.2.3 dSPACE 半实物仿真技术  14-16
  1.3 本文的主要研究内容  16-17
第2章 一阶倒立摆系统建模与分析  17-25
  2.1 一阶直线倒立摆数学模型的建立  17-21
    2.1.1 拉格朗日方程方法建立数学模型  18-20
    2.1.2 模型线性化处理  20-21
  2.2 系统能控性分析  21-22
  2.3 仿真模型验证  22-23
  2.4 电位器实际摆角检测信号分析  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章 一阶直线倒立摆控制系统  25-46
  3.1 状态反馈控制简介  25-29
    3.1.1 倒立摆系统的 LQR 最优控制  25-27
    3.1.2 LQR 控制器仿真实验  27-28
    3.1.3 LQR 控制器鲁棒性分析  28-29
  3.2 一阶直线倒立摆 SIRMS 模糊控制  29-35
    3.2.1 模糊控制原理  29-30
    3.2.2 SIRMs 模糊控制器  30-33
    3.2.3 SIRMs 控制器仿真分析  33-35
    3.2.4 SIRMs 控制器鲁棒性分析  35
  3.3 状态滤波估计算法  35-43
    3.3.1 摆角角速度信号分析  36-37
    3.3.2 卡尔曼滤波器原理  37-40
    3.3.3 扩展卡尔曼(EKF)  40-42
    3.3.4 倒立摆系统中的卡尔曼滤波器  42-43
  3.4 控制系统仿真  43-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章 半实物仿真硬件系统  46-58
  4.1 dSPACE 实时半实物仿真平台  46-50
    4.1.1 dSPACE 仿真平台简介  46-47
    4.1.2 dSPACE 平台硬件体系  47-50
  4.2 一阶直线倒立摆实物装置  50-56
    4.2.1 实物装置结构  50-53
    4.2.2 电位器摆角检测  53-54
    4.2.3 辅助电路  54-56
  4.3 半实物仿真实验流程  56-57
  4.4 本章小结  57-58
第5章 半实物仿真实验  58-66
  5.1 系统仿真程序  58-59
  5.2 实际系统控制器调试  59-63
    5.2.1 优化整定控制器参数  60-62
    5.2.2 实际系统控制器性能测试  62-63
  5.3 电位器检测平衡控制实验  63-65
  5.4 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-71
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  71-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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