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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
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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。
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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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