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球—杆系统的反步法H_∞设计研究

作 者: 杨文哲
导 师: 何朕
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 控制科学与工程
关键词: 欠驱动系统 反步法 H_∞控制
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 8次
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内容摘要


球-杆系统是控制系统设计实验中一个很重要的实验设备。因其操作相对简单、结构不复杂、可以很直观的观测到控制器设计的优劣,因此常用球-杆系统来实现并验证已知的控制理论和控制方法,同时,球-杆系统对新的控制理论和新的控制规律的应用和推广也能起到检验的作用。本文第一章介绍了球-杆系统的结构组成和工作控制过程,并用拉格朗日微分方程的方法建立了系统的数学模型,并在平和点处对其进行了线性化,并在分析这样的模型基础上利用反步法设计了H_∞控制器。本文的研究对象是由德国Amira公司生产并提供的球-杆系统实验设备,该设备本身可以提供一些在电脑上运行的控制软件,但是该控制软件只能实现球-杆系统软件自带的几个固定的控制算法,为了能在球-杆系统中实现更多的控制算法,本文从硬件角度出发对球-杆系统进行改造,使其克服上述缺点。球-杆系统具体的改造方案是:从原来的球-杆设备中引出小球的位置信号和杆的角度信号,信号经过PCI-1711芯片的模数转换后送到Matlab中进行运算处理,而后将经过Matlab处理后的信号经过PCI-1711的数模转换后送到球-杆设备底座中的伺服驱动器内来驱动电机,从而达到控制小球位置的目的。本文对欠驱动系统做了深入的分析,并确定了球-杆系统的欠驱动特性。反步法是一种解决欠驱动系统控制问题的有效方法,但是传统的状态空间反步法在设计原理上存在一定的问题,本文针对球-杆系统设计了改进后的反步法,该反步法在频域下使用,很好的克服了状态空间反步法的缺点和不足。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-18
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8-10
  1.2 国内外的研究状况  10-16
    1.2.1 欠驱动系统反步法研究状况  10-14
    1.2.2 H∞控制理论发展综述  14-16
    1.2.3 球-杆系统研究现状  16
  1.3 主要研究内容  16-17
  1.4 本章小结  17-18
第2章 球-杆系统的数学模型  18-25
  2.1 球-杆系统的数学模型  18-24
    2.1.1 建立球-杆系统数学模型  18-22
    2.1.2 拉格朗日微分方程的线性化  22-23
    2.1.3 球-杆系统线性化后的状态空间表达式  23-24
  2.2 本章小结  24-25
第3章 球-杆系统反步法 H∞控制器设计  25-32
  3.1 球-杆系统不确定性分析  25
  3.2 权函数的选择  25-27
  3.3 一种新的频域反步法的设计思路  27-29
  3.4 反步法 H 控制器设计  29-31
  3.5 本章小结  31-32
第4章 基于 RTW 的球-杆系统 H∞控制器设计  32-48
  4.1 球-杆系统硬件设计  32-40
    4.1.1 球-杆系统硬件设计总体方案  32-33
    4.1.2 小球位置信号的获取方法  33-34
    4.1.3 杆角度信号采集  34-40
  4.2 球-杆系统控制箱输入信号分析  40
  4.3 系统采样频率相关说明  40-41
  4.4 仿真  41-46
  4.5 实验  46-47
  4.6 本章小结  47-48
结论  48-49
参考文献  49-53
攻读学位期间发表的学术论文  53-55
致谢  55

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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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