本论文主要研究内容

倒立摆装置被公认为自动控制理论中的典型试验设备，也是控制理论教学和科研中不可多得的典型物理模型。本论文的研究旨在完成这样一系列工作：

介绍倒立摆系统控制的研究发展过程和现状：研究单级倒立摆的数学模型的建立；对倒立摆系统进行更深入的研究和更高层次的控制策略的研究提供途径。在掌握了几个典型类型的倒立摆系统的数学模型的基础上，对倒立摆系统进行稳定性研究。比较各种控制方法的控制效果，作了一些有意义的理论探讨。并用线性控制理论方法设计了倒立摆的控制器。以上所有控制算法的研究，都借助于具有工程计算、数据分析、应用程序开发等强大功能的MATLAB程序.Simulink仿真以及LABVIEW进行的。最后，对自己设计过程中出现的问题及所产生的想法进行了一定的分析及研究.本文进行了硬件系统的设计、倒立摆数学模型的建立及系统在matlab下的仿真，软件的编写，对倒立摆控制中遇到的问题进行分析和讨论。

干扰分为系统参数改变(认为是干扰因素)和信号干扰。系统参数变化是指系统运行时，系统未线性化以前的系统参数因受外界影响而随着小车和摆的不同位置而改变。信号干扰主要是各种外界因素对传感器输出信号的干扰。

现讨论几种干扰及其解决方法：

1、摩擦不均匀

摩擦不均匀主要是指系统中小车与导轨之间的摩擦而言，属于系统参数变化范围。由于实验设备状况不太良好，摩擦力不一致情况比较严重，以致于用手推动小车即能感觉到小车与导轨之间的摩擦不均匀。这说明模型中摩擦系数不是一个确定的值。其中主要原因是导轨厚度不均匀，造成小车与导轨的压力不均匀。导轨各处的光滑程度不一样也造成小车在不同位置时的摩擦力不同。

摩擦力的不均匀带来作用到小车上的控制力的不均匀。由于变化过于显着，对系统控制的影响是明显的。

为了减小摩擦力的影响，采用了打磨和上润滑油的方法，同时重新装配了小车和改正了皮带的固紧方式。这些方法对摩擦力的减小效果应该还是很明显的。

摘 要.I

AbstractII

第一章 绪论.1

1.1 研究背景及意义.1

1.2 本论文主要研究内容.2

第二章 倒立摆系统介绍.3

2.1 倒立摆的由来.3

2.2 倒立摆系统稳定性研究的意义.4

2.3 倒立摆研究的发展状况.4

2.4 倒立摆系统及其工作原理 7

第三章 单级倒立摆的数学模型.8

3.1 模型的推导原理.8

3.2 对象物理模型实测参数.8

3.3 数学模型的建立9

3.4 可控性.可观性的判断12

3.5 开环稳定行判断.13

第四章 单级倒立摆系统的控制器算法.14

4.1 现代控制理论14

4.2 系统的极点配置设计方法14

4.3 极点配置算法15

4.4系统闭环的仿真和相应15

4.5 线性二次最优控制21

第五章 系统的整体设计框架.24

5.1 设计说明24

5.2 设计结构图24

5.3 主要技术性能24

第六章 倒立摆装置(硬件).25

6.1 结构形式25

6.2 检测电路25

6.3微分电路.26

6.4 功率放大电路27

6.6 直流稳压电路27

6.5 内接.外接的转换电路.27

6.6运放调零电路28

第七章 labview软件介绍.29

7.1labvi概述29

7.2labv程序组成.30

第八章 软件设计.32

8.1创建A和B、C矩阵.32

8.2状态反馈控制倒立摆系统信号输出.33

8.3数据采集卡(DAQ)-NI6014简介.33

8.4数据采集 34

8.5数据分析处理 35

8.6数据显示 35

8.7数据输出及显示.36

8.8控制器前面板和整体程序框图 37

第九章 系统设置39

9.1说明39

9.2 硬件设置和软件设置39

9.3 调试步骤.39

9.4 注意事项.39

9.5 设备装置.40

第十章 问题的分析与讨论41

10.1 倒立摆系统非线性因素分析41

10.2倒立摆系统的干扰分析.42

总 结.43

致 谢.43

参考文献.44

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