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PID控制的小车倒立摆控制系统数值计算精选.doc

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PID控制的小车倒立摆控制系统数值计算彭娟 (绵阳职业技术学院 计算机科学系,四川 绵阳 621000)摘 要:为设计出良好的小车倒立摆控制系统动态性能指标。以某伺服电机控制车辆为例,结合系统的运动规律,分别计算出其微分方程、传递函数以及状态空间方程。以PID为控制方式,建立了系统的数学模型和极点配置子系统模型。最终,得到了PID控制和极点配置下的系统动态性能曲线图。结果显示,在取较小的比例积分数值时,选择合适的极点配置矩阵,可以获得良好的控制效果。Numerical calculation of inverted pendulum control system with PID control Peng Juan (MianYang Polytechnic, Computer Science Departments, SiChuan MianYang 621000) Abstract: in order to design a good control system of inverted pendulum control system, the dynamic performance index. Taking a servo motor as an example, the differential equation, transfer function and state space equation of the system are calculated according to the motion law of the system. The mathematical model of the system and the pole assignment subsystem model are established by using PID as the control method. Finally, the dynamic performance of the system under the control of PID and pole assignment is obtained. The results show that a good control effect can be obtained by selecting the proper pole assignment matrix when a small proportion of the integral value is obtained. Key words: PID; inverted pendulum; dynamic performance; pole assignment; numerical calculation 1. 引言 2. 实验工程概况 以某伺服电动机控制的车辆倒立摆系统为研究对象,倒立摆的类型为一级旋转倒立摆,部分机械参数,如表1所示。为建立精确的数学仿真模型,在研究中忽略空气阻力、电机转动摩擦力等非关键要素。采用牛顿-欧拉法[4]建立模型实验数学模型。系统简要结构,如图1所示。 表1. 倒立摆系统机械参数 车本体质量M(Kg) 摆杆质量m(Kg) 车辆摩擦系数b 摆杆惯量I(Kg*m2) 摆杆转动轴心到杆质心的长度l(m) 采样时间间隔T(s) 1.905 0.11 0.1 0.0035 0.26 0.005 图1. 一级倒立摆简化模型 3. 数学模型的建立 倒立摆系统的数学模型,本质上来说,是数值计算中的函数传递流程。它是动态性能仿真的前处理环节。数学模型的准确与否,直接关系到仿真精度。因此,该步骤中的具体操作为: (1)为提升数值计算的效率,避免因耦合条件过多而出现无解的情况。将图1所示的简化系统假设为匀质刚体,其中,摆杆绕转轴旋转; (2)按照牛顿运动学原理[5],计算系统的运动微分方程、传递函数以及状态空间方程;系统的微分方程表达式为: { (1) 式中,为摆杆与垂直方向夹角;为被控对象输入力。 系统的传递函数为: (2) 系统的状态空间方程为: (3) (3)为优化系统的控制性能,采用极点配置法[6],计算状态增益矩阵; (4)由于系统的传递函数较多,若发生某一个模块的特征方程缺项,则无论怎么调整参数,系统均无法达到稳定。为修正该问题,拟采用PID的控制方式[7]。建立的系统数学模型和极点配置封装模型,如图2~4所示。 图2. PID控制下的倒立摆数学模型 图3. 未配置极点的子系统封装模型 图4. 配置极点的子系统封装模型 4. 计算结果后处理 系统数学模型建立之后,根据文献[8]的结论,
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