[VIP专享]单阶倒立摆控制系统_Matlab实验报告
一阶倒立摆控制系统设计matlab
一阶倒立摆控制系统设计matlab一、控制系统简介控制系统是指通过对某些物理系统或过程的改变以获取期望输出或行为的一种系统。
其中涉及到了对系统的建模、分析以及控制方法的选择和设计等多方面的问题。
控制系统可以通过标准的数学和物理模型来描述，并可以通过物理或者仿真实验进行验证。
本文将围绕一阶倒立摆控制系统设计和仿真展开。
主要内容包括：1.一阶倒立摆系统简介2.系统建模3.系统分析4.设计控制器5.仿真实验及结果分析一阶倒立摆(controlled inverted pendulum)是一种比较常见的控制系统模型。
它的系统模型简单，有利于系统学习和掌握。
一般而言，一阶倒立摆系统是由一个竖直的支杆和一个质量为$m$的小球组成的。
假设球只能在竖直方向上运动，当球从垂直平衡位置偏离时，支杆会向相反的方向采取动作，使得小球可以回到平衡位置附近。
为了控制一阶倒立摆系统，我们首先需要对其进行建模。
由于系统并不是非常复杂，所以建模过程相对简单。
假设支杆长度为$l$，支杆底端到小球的距离为$h$，支杆与竖直方向的夹角为$\theta$，小球的质量为$m$，地球重力为$g$，该系统的拉格朗日方程可以表示为：$L =\frac{1}{2}m\dot{h}^{2}+\frac{1}{2}ml^{2}\dot{\theta}^{2}-mgh\cos{\theta}-\frac{1}{2}I\dot{\theta}^{2}$$I$表示支杆的惯性矩，它可以通过支杆的质量、长度以及截面积等参数计算得出。
$h$和$\theta$分别表示小球和支杆的位置。
我们可以通过拉格朗日方程可以得出系统的动力学方程：$b$表示摩擦系数，$f_{c}$表示对支杆的控制力。
由于一阶倒立摆会发生不稳定的倾斜运动，即未受到外部控制时会继续倾斜。
我们需要对系统加上控制力，使得系统保持在稳定的位置上。
在进行控制器设计之前，我们需要对系统进行分析，以便更好地了解系统在不同条件下的特性表现。
基于MATLAB的一级倒立摆控制系统仿真与设计
基于MATLAB的一级倒立摆控制系统仿真与设计一级倒立摆是一个经典的控制系统问题，它由一根杆子和一个在杆子顶端平衡的质点组成。
杆子通过一个固定的轴连接到一个电机，电机可以通过施加力来控制杆子的平衡。
设计一个控制系统来实现对一级倒立摆的稳定控制是一个重要的研究课题。
在这篇文章中，我们将介绍基于MATLAB的一级倒立摆控制系统仿真与设计。
我们将首先介绍一级倒立摆的数学模型，并根据模型设计一个反馈控制器。
然后，我们将使用MATLAB来进行仿真，评估控制系统的性能。
一级倒立摆的数学模型可以通过牛顿第二定律得到。
假设杆子是一个质点，其运动方程可以表示为：ml²θ''(t) = mgl sin(θ(t)) - T(t)其中m是质点的质量，l是杆子的长度，g是重力加速度，θ(t)是杆子相对于竖直方向的偏角，T(t)是电机施加的瞬时力。
为了设计一个稳定的控制系统，我们可以使用PID控制器，其控制输入可以表示为：T(t) = Kp(θd(t) - θ(t)) + Ki∫(θd(t) - θ(t))dt +Kd(θd'(t) - θ'(t))其中Kp，Ki和Kd分别是比例，积分和微分增益，θd(t)是我们期望的杆子偏角，θ'(t)是杆子的角速度。
在MATLAB中，我们可以使用Simulink来建模和仿真一级倒立摆的控制系统。
我们可以进行以下步骤来进行仿真：1. 建立一级倒立摆的模型。
在Simulink中，我们可以使用Mass-Spring-Damper模块来建立质点的运动模型，并使用Rotational Motion 库提供的Block来建立杆子的旋转模型。
2. 设计反馈控制器。
我们可以使用PID Controller模块来设计PID 控制器，并调整增益参数以实现系统的稳定性和性能要求。
3. 对控制系统进行仿真。
通过在MATLAB中运行Simulink模型，我们可以观察控制系统的响应，并评估系统的稳定性和性能。
倒立摆系统实验设计报告
倒立摆系统实验设计报告实验设计报告：倒立摆系统摘要：本实验旨在研究倒立摆系统的控制问题，通过进行动力学建模、控制器设计和实验验证，探究不同控制策略对倒立摆系统的稳定性和控制性能的影响。
实验使用MATLAB/Simulink软件进行系统建模和控制器设计，并通过实际硬件平台进行实验验证。
实验结果表明，PID控制器在稳定性和控制精度方面表现出较好的性能。
本实验为进一步研究倒立摆系统控制提供了参考。
引言：倒立摆系统是控制理论中一个经典且具有挑战性的问题，具有广泛的应用背景。
倒立摆系统的研究对于制造可倒立行进的机器人、电梯调节、飞行器控制等领域具有重要意义。
本实验旨在通过对倒立摆系统进行动力学建模和控制器设计，研究不同控制策略对其稳定性和控制性能的影响。
方法与材料：1.实验平台：本实验使用一台倒立摆硬件平台，包括一个竖直支架、一个带电机和减速器的转动摆杆以及一个测量角度的传感器。
2. 软件工具：本实验使用MATLAB/Simulink进行倒立摆系统的建模和控制器设计。
并使用Simulink中的实时仿真模块进行实验验证。
实验步骤：1. 动力学建模：根据倒立摆系统的动力学方程，使用MATLAB/Simulink建立系统的状态空间模型。
2.控制器设计：设计不同控制策略的控制器，包括PID控制器、模糊控制器等。
3. 系统仿真：在Simulink中进行系统仿真，分析不同控制策略下的系统响应情况，比较其稳定性和控制性能。
5.数据分析：通过对实验数据进行分析，比较不同控制策略的实际控制效果。
结果与讨论：经过对倒立摆系统进行动力学建模和控制器设计，我们设计了PID控制器和模糊控制器两种控制策略，并在Simulink中进行了系统仿真。
仿真结果显示，PID控制器能够有效地控制倒立摆系统，在较短的时间内将摆杆恢复到竖直位置，并保持稳定。
而模糊控制器的控制性能相对较差，系统响应时间较长且存在一定的震荡。
实验验证结果表明，PID控制器在实际硬件平台上也能够较好地控制倒立摆系统。
直线一级倒立摆MATLAB仿真报告
1便携式倒立摆实验简介倒立摆装置被公认为是自动控制理论中的典型试验设备，是控制理论教学和科研中不可多得的典型物理模型。
本实验基于便携式直线一级倒立摆试验系统研究其稳摆控制原理。
1.1主要实验设备及仪器便携式直线一级倒立摆实验箱一套控制计算机一台便携式直线一级倒立摆实验软件一套1.2便携式倒立摆系统结构及工作原理便携式直线一级倒立摆试验系统总体结构如图1所示：图1 便携式一级倒立摆试验系统总体结构图主体结构包括摆杆、小车、便携支架、导轨、直流伺服电机等。
主体、驱动器、电源和数据采集卡都置于实验箱内，实验箱通过一条USB数据线与上位机进行数据交换，另有一条线接220v交流电源。
便携式直线一级倒立摆的工作原理如图2所示：图2 便携式一级倒立摆工作原理图数据采集卡采集到旋转编码器数据和电机尾部编码器数据，旋转编码器与摆杆同轴，电机与小车通过皮带连接，所以通过计算就可以得到摆杆的角位移以及小车位移，角位移差分得角速度，位移差分可得速度，然后根据自动控制中的各种理论转化的算法计算出控制量。
控制量由计算机通过USB数据线下发给伺服驱动器，由驱动器实现对电机控制，电机尾部编码器连接到驱动器形成闭环，从而可以实现摆杆直立不倒以及自摆起。
2便携式倒立摆控制原理方框图便携式倒立摆是具有反馈功能的闭环系统，其控制目标是实现在静态和动态下的稳摆。
当输入量为理想摆角，即时，偏差为0，控制器不工作；当输入量不为理想摆角时，偏差存在，控制器做出决策，驱动电机，使小车摆杆系统发生相应位移，输出的摆角通过角位移传感器作用于输出量，达到减小偏差的目的。
根据控制原理绘制出控制方框图如图3所示：图3 便携式一级倒立摆控制原理方框图3建立小车-摆杆数学模型便携式倒立摆系统主要由小车、摆杆等组成，它们之间自由连接。
小车可以在导轨上自由移动，摆杆可以在铅垂的平面内自由地摆动。
在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，可将便携式倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的刚体系统，在惯性坐标内应用经典力学理论建立系统的动力学方程，采用力学分析方法建立小车-摆杆的数学模型。
基于MATLAB的单级倒立摆的LQR控制研究
Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｗｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｅ ｄ ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ Ｑ ａ ｎ ｄ Ｒ ， ｍａ ｋ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ａ ｎ ｄ ｄ ｒ ａ ｗ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ —
ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ＭＡ Ｔ Ｌ ＡＢ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｆ ｕ ｌ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｐ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｌ ＱＲ ．
ｔ Ｔ
在忽略 了空气阻力 ， 各 种 摩擦之后 ， 可 将 直 线 一 级 倒 立 摆 系 统 抽 象 成 小 车 和
匀质杆组成 的系统 ， 如 下 图
１所 示 。
假设 Ｍ 为小车质量 ， ｍ 为摆杆 质量 ， ｂ为 小 车 摩 擦 系数 ， ｌ 为 摆 杆 转 动 轴 ｂ到 杆质 心 的 长度 ， Ｉ 为 摆 杆 惯 量， Ｆ为加 在 小 车上 的力 ， Ｘ为 小 车 位 置 ， ‘ ｐ 为 摆 杆 与垂 直 向 上 方
基 于 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 的单 级 倒 立 摆 的 Ｌ ＱＲ控 制 研 究
基于 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ的单级倒立摆的 Ｌ Ｑ Ｒ控制研究
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ Ｌ ＱＲ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓｉ ｎ ｇｌ ｅ Ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｄ Ｐ ｅ ｎ ｄｕ ｌ ｕ ｍ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ 本 文 以单 级 倒 立 摆 为 研 究 对 象 ，给 出系 统 状 态 空 间方 程 和
基于MATLAB的单级倒立摆系统研究
【＝Ｃ ＋Ｄｕ ｖ ｘ
图 １
其中 ，为状态 向量 ，ｉ ｘ 为状态向量对时间 的微分 ， 为输出向量 ， ｙ ｕ
图２
为输入或 控制 向量 ， Ａ为系统矩 阵 ， Ｂ为输入矩阵 ， Ｃ为输 出矩阵 ， Ｄ为 前 向反馈矩阵。
２单级倒立摆系统的控制方法分析 ． ２１倒立摆系统的 ＰＤ控制方法 ． Ｉ
（，，，） （ ）一 ｘ ＡＢＱＲ ， Ｋ＝ Ｋ 。 ｕ ２ 倒立摆 系统 的模糊控制 ． ３ 模糊控制是以模 糊集合论 、模糊语言变量及模糊逻辑 推理 为基础 的计算机智能控 制。 模糊控 制的核心部分是模糊控制器， 其实现主要包 括３ 个部分， 模糊化 、 即： 模糊推理 、 解模糊化 。 在倒立摆 系统 的控制 中，
的原理如图 Βιβλιοθήκη 所示 。 ２ 倒立摆 系统 的 Ｌ Ｒ控制方法 ． ２ Ｑ
二次最优调节器 （ Ｑ 针对状态方程 ：＝ ｘ Ｂ ， Ｌ Ｒ１ 是 ｘ Ａ ＋ ｕ 通过确定最佳
控制量 ｕｔ Ｋ （使得 控制性能 指标达 到极小 。其 中 Ｑ为正定（ （一 ｘ） ） ｔ 或半 正定 ） 厄米 特或实对称矩 阵 ， Ｒ为正 定厄米特或实对 阵矩阵 ， Ｑ和 Ｒ分 别 表示对状态变量和输入变量的加权值 。 Ｑ Ｌ Ｒ控制器 的增益 为 Ｋ Ｌ Ｒ ＝Ｑ
单级倒立摆 系统的控 制性能进行 了仿真分析。 ［ 关键词 ］ 单级倒立摆 控制 系统 ＭＡ Ｌ Ｔ￣ 仿真
０引 言 ．
单级倒立摆系统是一个典 型多变 量 、不稳定和强耦合 的非线性 系 统。 对于单级倒立摆系统， 目前已有多种控制方法可对其实现稳摆控制。 典型的有线性 ＰＤ控制 、 Ｉ 常规 ＰＤ控制 、 Ｑ Ｉ Ｌ Ｒ控制 、 智能控制等 。 倒立摆 的控制方法在军工 、 航天 、 机器人领域 和一般工业过程 中都有 着广 泛的 用途 ， 如机器人行走过程 中的平衡控 制 、 火箭发射 中的垂直 度控制和卫 星飞行中的姿态控制等 。对倒立摆 系统的研究能有效地反 映控制中的 许多典型问题 ， 如非线性问题 、 鲁棒性 问题 、 随动 问题 以及跟踪 问题等。 因此倒立 摆系统通 常用来检验 控制策略 的效果， 是控 制理 论研究 中较
用Matlab完成倒立摆系统的分析与综合
现代控制理论用Matlab 完成倒立摆系统的分析与综合2013/5/23 Thursday 学号：**********杨 博用Matlab 完成倒立摆系统的分析与综合一、实验要求1、熟悉非线性系统数学模型的建立过程。
2、非线性数学模型的近似线性化。
3、判断系统的能控性及能观性。
4、学习利用MATLAB 来分析系统的能观性、能控性和稳定性（Lyapunov 第一法）。
5、掌握状态反馈极点配置控制，并能用MATLAB 仿真软件进行控制算法的仿真验证与分析。
二、实验原理底座导轨摆杆XFϕl图1 一级倒立摆系统模型 图2 小车水平方向受力分析图3 摆杆垂直方向的受力分析Pb ẋ N F小车水平方向受力： Mẍ+bẋ+N =F摆杆水平方向受力:2(sin )2d N m x l dtθ=+即： N =mẍ+mlθcos θ−mlθsin θ得第一个运动方程：(M +m )ẍ+bẋ+mlθcos θ−mlθsin θ=F摆杆垂直方向受力：2(cos )2d P mg m l dtθ-=力矩平衡方程：−Pl sin θ−Nl cos θ=Iθ=+θπφ，cos cos φ=-sin sin φθ=-第二个运动方程：(I +ml 2)θ+mgl sin θ=−mlẍcos θ 两个运动方程化简得：{(I +ml 2)ϕ−mgl∅=mlẍ(M +m )ẍ+bẋ−mlϕ=u拉普拉斯变换得：222()()()()22()()()()()I ml s s mgl s mlX s sM m X s s bX s s ml s s U s ⎧+Φ-Φ=⎪⎨⎪++-Φ=⎩三、实验内容1、一级直线倒立摆传递函数的建立 摆杆输出角度和电机作用力的传递函数为：2()2()()()432ml s s qU s b I ml mgl M m bmgls s s sq q q⋅Φ=+++⋅-⋅-⋅ 其中22[()()()]q M m I ml ml =++-2、一级直线倒立摆状态空间方程的建立求解可得ẍ、ϕ，整理后得到系统的状态空间方程为：010002222()00222()()()00010()00222()()()x x I ml b m gl I ml x xI M m Mml I M m Mml I M m Mml umlbmgl M m ml I M m Mml I M m Mml I M m Mml φφφφ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎡⎤-++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥++++++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-+⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥++++++⎣⎦⎣⎦1000000100x x x y u φφφ⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥==+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦3、MATLAB 仿真要求 ➢ 求出状态空间表达式矩阵。
单级倒立摆控制系统设计及MATLAB中的仿真
单级倒立摆控制系统设计及MATLAB中的仿真第一步是建立单级倒立摆的数学模型。
单级倒立摆可以通过旋转关节将一根质量均匀的细杆与一个平台相连。
细杆的一端固定在平台上，另一端可以自由旋转。
细棒的旋转角度用θ表示，质心的位置用x表示。
根据牛顿力学和杆的动力学方程，可以得到如下数学模型：1.摆杆的运动方程：Iθ'' + mgl sin(θ) = u - F (1)其中，I是摆杆的转动惯量，m是摆杆的质量，g是重力加速度，l是摆杆的长度，u是控制输入（摆杆上的转动力矩），F是摩擦力。
2.质心的运动方程：m(x'' - lθ'²cos(θ)) = F (2)接下来是设计控制器来控制单级倒立摆。
一个常用的控制方法是使用线性化控制理论，其中线性化是将系统在一些工作点附近线性近似。
在这种情况下，将摆杆保持在垂直方向，并使质心静止作为工作点。
线性化系统的转移函数为：H(s) = θ(s)/u(s) = (ml²s² + mg)/(s(ml² + I))为了稳定单级倒立摆，可以使用自动控制理论中的反馈控制方法，特别是状态反馈。
状态反馈根据系统的状态变量来计算控制器输入。
为了设计状态反馈控制器，首先需要判断系统的可控性和可观测性。
根据控制系统理论，如果系统是可控和可观测的，则可以设计一个线性状态反馈控制器来稳定系统。
在MATLAB中，可以使用控制系统工具箱来设计单级倒立摆的控制系统。
首先，通过建立系统的传递函数模型（由线性化系统得到）来定义系统。
然后，使用控制系统工具箱中的函数来计算系统的稳定极点，并确定所需的反馈增益以稳定系统。
最后，可以使用MATLAB的仿真工具来模拟单级倒立摆的响应，并进行性能分析。
在进行仿真时，可以将倒立摆的初始状态设置为平衡位置，并应用一个输入来观察系统的响应。
可以通过调整控制器增益和系统参数来改变系统响应的性能，例如收敛时间、超调量和稳态误差。
单级倒立摆控制系统设计及MATLAB中的仿真
单级倒立摆控制系统设计及simulink仿真摘要：倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强藕合和快速运动的自然不稳定系统。
因此倒立摆在研究双足机器人直立行走、火箭发射过程的姿态调整和直升机飞行控制领域中有重要的现实意义，相关的科研成果己经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。
单级倒立摆系统是一种广泛应用的物理模型。
控制单级倒立摆载体的运动是保证倒立摆稳定性的关键因素。
为了避免常用的物理反馈分析方法和运动轨迹摄像制导控制方法的某些缺点，本文从力学的角度提出对倒立摆的运动进行纯角度制导分析，完成了对倒立摆载体的角度制导运动微分方程的数学建模，设计了该模型的模糊控制系统，并利用 Matlab\simulink软件工具对倒立摆的运动进行了计算机仿真。
实验表明，这种模糊控制配合代数解析方法的运算速度和计算机仿真的效果均较物理反馈制导控制方法有了一定的提高。
该方法可以有效地改善单级倒立摆控制系统的性能。
本论文的主要工作是研究了直线一级倒立摆系统的模糊控制问题，用Matlab和Simulink对一级倒立摆模糊控制系统进行了仿真，验证了设计的可行性。
本文论述了一级倒立摆数学建模方法，推导出他们的微分方程，以及线性化后的状态方程。
讨论了单级倒立摆系统的模糊控制方法和操作步骤。
用Simulink实现了单级倒立摆模糊控制仿真系统，分别给出一级倒立摆系统控制量的响应曲线。
通过仿真说明控制器的有效性和实现性。
关键词：单级倒立摆；仿真；模糊控制；运动；建模；SimulinkDesign of single stage inverted pendulum control systemand Simulink simulationAbstract: inverted pendulum system is unstable system with a typical multi variable, nonlinear, strong coupled and fast motion. So the research on the attitude adjustment of the double foot robot and the attitude adjustment of the rocket launching process and the helicopter flight control field have practical,significance. The related scientific research achievements have been applied to many fields such as aerospace science and robotics. Single inverted pendulum system is a widely used physical model. Controlling the movement of the single inverted pendulum is the key factor to guarantee the stability of the inverted pendulum. In order to avoid some shortcomings of common physical feedback analysis method and motion trajectory camera guidance control method, this paper presents a pure angle guidance analysis on the motionof the inverted pendulum, and designs the fuzzy control system of the model. Experimental results show that the operation speed and computer simulation of this kind of fuzzy control combined with algebraic analysis method are improved by the physical feedback control method. This method can effectively improve the performance of a single stage inverted pendulum control system. In this paper, the main work of this paper is to study the fuzzy control of a linear inverted pendulum system, and the Matlab and Simulink to simulate the fuzzy control system of a single inverted pendulum, verify the feasibility of the design. And a mathematical modeling method of an inverted pendulum is described, their differential equations are derived, and the equation of state is linearized. The fuzzy control method and operation steps of single stage inverted pendulum system are discussed. Using Simulink to realize the fuzzy control simulation system of a single inverted pendulum, the response curve of the control of an inverted pendulum system is given. The effectiveness and the implementation of the controller are illustrated by simulation.Keywords: Inverted pendulum; Simulation; Fuzzy control; Motion; modeling; Simulink 引言倒立摆系统是研究控制理论的一种典型实验装置，具有成本低廉，结构简单，物理参数和结构易于调整的优点，是一个具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强藕合特性的不稳定系统。
倒立摆与自动控制原理实验报告
倒立摆与自动控制原理实验报告摘要：本实验以倒立摆为研究对象，通过对倒立摆与自动控制原理的结合研究，探讨其在实际控制系统中的应用。
实验采用模拟倒立摆系统，使用PID控制算法对倒立摆进行控制，并对控制系统进行参数调整和性能测试。
实验结果表明，PID控制算法能够有效地实现倒立摆的平衡控制，具有较好的控制性能和稳定性。
1.引言倒立摆是一种经典的非线性动力学系统，具有重要的理论和应用价值。
倒立摆在自动控制中常被用作教学和研究对象，深入研究其动态特性可以帮助我们更好地理解自动控制原理。
2.实验原理倒立摆系统由摆杆和摆轮组成，通过控制摆杆的角度使得摆轮保持垂直状态。
实验中我们使用模拟倒立摆系统，通过转动电机控制摆杆的角度。
控制系统采用PID控制算法对摆杆进行控制，其中比例、积分和微分控制器的参数需要根据实际情况进行调整。
3.实验过程3.1系统建模根据倒立摆的运动学和动力学方程，我们可以建立系统的数学模型。
并结合实际参数进行仿真得到系统的状态响应。
3.2控制器设计在实验中，我们采用PID控制算法对倒立摆进行控制，其中比例、积分和微分控制器的参数需要根据实际情况进行调整。
实验中我们使用试错法进行参数调整，通过观察系统的响应曲线来判断参数是否合理，并逐步调整参数使系统达到最佳控制效果。
3.3性能测试在控制器设计完成后，我们对系统进行性能测试。
通过控制器输出信号，观察摆杆的运动轨迹和角度，并记录下对应的数据。
通过计算和分析可以评估控制系统的性能。
4.实验结果与分析实验结果表明，经过参数调整的PID控制系统能够有效地控制倒立摆的角度。
通过观察运动轨迹可以看出，当摆杆偏离垂直方向时，控制系统会通过调整控制信号，使得摆杆返回到垂直状态。
实验中我们进行了多组测试，通过计算平均偏差和稳定时间等指标，验证了控制系统的性能。
5.结论本实验通过对倒立摆与自动控制原理的结合研究，验证了PID控制算法在倒立摆控制中的有效性。
实验结果表明，经过参数调整的PID控制系统能够实现倒立摆的平衡控制，并具有较好的控制性能和稳定性。
基于MATLAB的单级倒立摆控制系统设计
基于MATLAB的单级倒立摆控制系统设计单级倒立摆是一种常见的控制系统，其结构简单，但具有较强的动态控制性能。
本文基于MATLAB对单级倒立摆控制系统进行设计，并详细介绍了设计过程和结果。
首先，我们需要了解单级倒立摆的结构和动力学模型。
单级倒立摆由轴、电机和旋转杆组成，电机通过轴和旋转杆相连。
倒立摆的目标是使旋转杆竖直，即使旋转杆的角度保持为0°。
为了实现倒立摆的控制，我们借助PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器。
PID控制器是一种常用的线性控制系统，其中，比例系数（P）、积分系数（I）和微分系数（D）能够根据系统的需求进行调整。
接下来，我们需要确定系统的控制目标。
倒立摆的目标是使旋转杆的角度保持为0°。
因此，我们需要设计一个控制器，使得当旋转杆角度发生偏差时，控制器能够迅速响应，并产生相应的控制信号。
首先，我们需要获取倒立摆的角度信息。
我们可以通过连接传感器获取角度信息，并将其输入到MATLAB中进行处理。
然后，我们需要设计PID控制器来控制倒立摆。
在MATLAB中，可以使用pid函数来创建PID控制器对象，然后使用tune函数来调整PID控制器对象的参数。
调整PID控制器参数的过程通常可以通过试验和观察实现。
我们可以将倒立摆设置为初始状态，并控制器输出控制信号，然后观察倒立摆的响应。
根据实际观察，我们可以逐步调整PID控制器的参数，以达到系统的稳定性和响应速度的要求。
在完成PID控制器的参数调整后，我们可以进行仿真实验。
在MATLAB中，可以使用sim函数来进行仿真实验。
通过仿真实验，我们可以观察倒立摆的控制效果，并根据需要进行进一步的调整。
通过在MATLAB中进行控制器设计和仿真实验，我们可以对单级倒立摆进行控制系统设计。
该设计可以帮助我们理解控制系统的工作原理，并为实际应用提供参考。
同时，我们还可以根据具体需求对设计进行进一步调整和优化。
单级倒立摆经典控制系统
单级倒立摆经典控制系统摘要：倒立摆控制系统虽然作为热门研究课题之一，但见于资料上的大多采用现代控制方法，本课题的目的就是要用经典的方法对单级倒立摆设计控制器进行探索。
本文以经典控制理论为基础，建立小车倒立摆系统的数学模型，使用PID控制法设计出确定参数(摆长和摆杆质量)下的控制器使系统稳定，并利用MATLAB软件进行仿真。
关键词：单级倒立摆；经典控制；数学模型；PID控制器；MATLAB 1绪论自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。
它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。
控制理论在几十年中，迅速经历了从经典理论到现代理论再到智能控制理论的阶段，并有众多的分支和研究发展方向。
1.1经典控制理论控制理论的发展，起于“经典控制理论”。
早期最有代表性的自动控制系统是18世纪的蒸汽机调速器。
20世纪前，主要集中在温度、压力、液位、转速等控制。
20世纪起，应用范围扩大到电压、电流的反馈控制，频率调节，锅炉控制，电机转速控制等。
二战期间，为设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统及其他基于反馈原理的军用装备，促进了自动控制理论的发展。
至二战结束时，经典控制理论形成以传递函数为基础的理论体系，主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析问题。
经典控制理论的研究对象是线性单输入单输出系统，用常系数微分方程来描述。
它包含利用各种曲线图的频率响应法和利用拉普拉斯变换求解微分方程的时域分析法。
这些方法现在仍是人们学习控制理论的入门之道。
1.2倒立摆1.2.1倒立摆的概念图1 一级倒立摆装置倒立摆是处于倒置不稳定状态，人为控制使其处于动态平衡的一种摆。
如杂技演员顶杆的物理机制可简化为一级倒立摆系统，是一个复杂、多变量、存在严重非线性、非自治不稳定系统。
常见的倒立摆系统一般由小车和摆杆两部分构成，其中摆杆可能是一级、两级甚至多级。
在复杂的倒立摆系统中，摆杆长度和质量均可变化。
单级倒立摆实验报告
单级倒立摆实验报告1. 单级倒立摆系统的建模单级倒立摆系统的建模可采用受力分析或Lagrange 方程建立得到。
这里采用受力分析方法建模。
如图所示：根据牛顿第二定律：(cos )0Mx m x L u θθ++-= (2-1) cos sin 0mLxI mLg θθθ--= (2-2)以摆杆偏角θ、角速度θ 、小车的位移x 和小车速度x为状态变量，即令： ()TX x x θθ=(2-3)同时假设倒立摆摆杆的垂直倾斜角度θ与1（单位为rad ）相比很小，即1θ 。
则可以近似处理：cos θ≈1，sin 0θ≈，并忽略高阶小量，则可得：2222()()m L g Ix u I m M mML I m M mML θ=+++++ （2-4）22()()()mL m M g mLu I m M mML I m M mMLθθ+=-+++++ （2-5）摆杆系统的状态方程为： 12222122344122()()()()()x x m L g I x x u I m M mML I m M mMLx x mL m M g mL x x u I m M mML I m M mML =⎧⎪⎪=+⎪++++⎨=⎪⎪+=-+⎪++++⎩（2-6） 写成向量的形式为：XAX Bu y CX Du ⎧=+⎨=+⎩(2-7)其中0100000A 0001000a b⎛⎫ ⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭, 00c B d ⎛⎫⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭,10000010C ⎛⎫= ⎪⎝⎭,00D ⎛⎫= ⎪⎝⎭（2-8） 参数a 、b 、c 、d 分别为：222()m L gb I m M mML =++ （2-9）2()()mL m M ga I m M mML +=-++（2-10）2()Ic I m M mML =++ （2-11）2()mLd I m M mML =++（2-12）选择摆杆的倾斜角度θ和小车的水平位移x 作为系统的输出，则输出方程为：y CX = (2-13)根据金棒-2型倒立摆系统实验平台的参数，m=0.2kg ，M=0.6kg ，L=0.158m ，I=0.001654kg.m 2 ，g=10N/kg.同时，这里建模时候使用的ｕ是以力作为输入信号的，实际上采用的是以电压作为输入信号，通过电机作了一定的转化，这里我们约定：先暂时以力作为输入信号，最后再统一处理。
倒立摆控制系统设计matlab
倒立摆控制系统设计matlab倒立摆控制系统设计是一个在工程领域中非常重要的课题。
倒立摆是一个经典的控制系统问题，通过控制电机的力矩来使倒立摆保持平衡。
在这篇文章中，我们将使用Matlab来设计一个倒立摆控制系统，并逐步回答其中的关键问题。
首先，我们需要明确设计的目标。
在倒立摆控制系统中，我们的目标是使摆杆保持垂直位置。
为了实现这个目标，我们需要采用逆向控制方法，即通过测量摆杆当前状态以及目标状态之间的差异，并控制力矩，从而使摆杆回复到垂直位置。
接下来，我们需要构建倒立摆的模型。
倒立摆模型可以采用Euler-Lagrange动力学方程进行描述。
具体地，我们可以使用如下的动力学方程来描述倒立摆：m*L^2*θ''(t) + m*g*L*sin(θ(t)) = u(t) - b*θ'(t) - c*sat(θ(t)) 其中，m是摆杆的质量，L是摆杆的长度，θ(t)是摆杆的角度，u(t)是电机的力矩，b是摩擦系数，c是控制器增益。
在上述动力学方程中，μ(t)表示补偿力，其作用是抵消由于重力引起的非线性成分。
有了动力学方程之后，我们可以使用Matlab来进行数值仿真。
首先，我们需要定义模型的初始状态和控制器增益。
我们可以选择一个合适的初始状态，比如θ(0)=pi/4，θ'(0)=0，然后根据模型的特性来选择控制器增益c。
接下来，我们可以使用Matlab的ode45函数来求解动力学方程的数值解。
ode45函数是一种常用的数值积分器，可以对常微分方程进行数值求解。
在本例中，我们可以将动力学方程与初始条件传递给ode45函数，然后使用该函数来求解摆杆的角度θ(t)和角速度θ'(t)的变化。
在求解得到角度和角速度之后，我们可以使用反馈控制方法来设计控制器。
一种常见的控制器设计方法是使用PID控制器。
PID控制器基于当前状态与目标状态之间的差异来计算控制信号。
具体地，PID控制器的输出可以通过如下公式来计算：u(t) = Kp*e(t) + Ki*∫e(t)dt + Kd*e'(t)其中，u(t)是控制器的输出，Kp、Ki和Kd分别是比例、积分和微分增益，e(t)=θ(t)-θd(t)是当前状态与目标状态之间的差异，e'(t)=θ'(t)-θd'(t)是当前状态与目标状态之间的差异的一阶导数。
单级倒立摆稳定控制实验
单级倒立摆稳定控制实验一．实验目的1.了解单级倒立摆的原理与数学模型的建立；2.掌握LQR控制器的设计方法；3.掌握基于LQR控制器的单级倒立摆稳定控制系统的仿真方法。
二．实验内容图1 一级倒立摆原理图一级倒立摆系统的原理框图如上所示。
系统包括计算机、运动控制卡、伺服机构、倒立摆本体和光电码盘几大部分，组成了一个闭环系统。
光电码盘1将连杆的角度、角速度信号反馈给伺服驱动器和运动控制卡，摆杆的角度、角速度信号由光电码盘2反馈回控制卡。
计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策，并由运动控制卡来实现该控制决策，产生相应的控制量，驱动电机转动，带动连杆运动，保持摆杆的平衡。
在忽略了空气阻力，各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如下图2所示。
图2直线一级倒立摆系统其中：M 小车质量 m 摆杆质量 b 小车摩擦系数l 摆杆转动轴心到杆质心的长度 I 摆杆惯量 F 加在小车上的力 x 小车位置φ摆杆与垂直向上方向的夹角θ摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下） 下图是系统中小车和摆杆的受力分析图。
其中，N 和P 为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。
注意：在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已经完全确定，因而矢量方向定义如图所示，图示方向为矢量正方向。
图3 （a ）小车隔离受力图； （b ）摆杆隔离受力图分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：MxF bx N =-- (1) 由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：()22sin d N m x l dtθ=+ (2)即：2cos sin N mxml ml θθθθ=+- 为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：()22cos d P mg m l dtθ-= (3)即：2sin cos P mg ml ml θθθθ-=-- 力矩平衡方程如下：sin cos Pl Nl I θθθ--= (4) 注意：此方程中力矩的方向，由于θπφ=+，cos cos φθ=-，sin sin φθ=-故等式前面有负号。
倒立摆仿真及实验报告
倒立摆仿真及实验报告倒立摆是一种经典的机械系统，它具有丰富的动力学特性，在控制理论和工程应用中得到广泛研究和应用。
本文将对倒立摆的仿真及实验进行详细介绍，并给出相关结果和分析。
1.倒立摆的仿真模型倒立摆的运动可以用以下动力学方程表示：ml^2θ'' + mgl sin(θ) = u - cθ' - Iθ'其中，m是摆杆的质量，l是摆杆的长度，θ是摆杆与垂直方向的夹角，u是外力输入，c是摩擦系数，I是摆杆的转动惯量，g是重力加速度。
为了实现对倒立摆的仿真，我们借助MATLAB/Simulink软件，建立了倒立摆的仿真模型。
模型包括两个部分：倒立摆的动力学模型和控制器。
倒立摆的动力学模型采用上述动力学方程进行描述。
控制器采用经典的PID控制器，其中比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd分别用于角度误差的比例、积分和微分控制。
2.倒立摆的仿真结果采用上述模型进行仿真，我们可以得到倒立摆的运动轨迹和角度响应等结果。
根据参数的不同取值，我们可以观察倒立摆的不同运动特性。
首先，我们观察了倒立摆的自由运动。
设置初始条件为摆杆静止且在平衡位置上方一个小角度的偏离。
在没有外力输入的情况下，倒立摆经过一段时间的摆动后最终回到平衡位置，这个过程中摆杆的角度和角速度都发生了变化。
接下来，我们考虑了加入PID控制器后的倒立摆。
设置初始条件为摆杆位于平衡位置上方，并施加一个恒定的外力。
通过调节PID控制器的参数，我们可以使倒立摆保持在平衡位置上方，实现倒立的稳定控制。
当外力发生变化时，控制器能够及时响应并调整摆杆的角度，使其再次回到平衡位置。
3.倒立摆的实验研究为了验证倒立摆的仿真结果，我们进行了实验研究。
实验中，我们采用了具有传感器的倒立摆装置，并连接到PC上进行实时数据采集和控制。
首先，我们对倒立摆进行了辨识。
通过在实验中施加一系列不同的外力输入，我们得到了倒立摆的自由运动数据。
通过对数据进行处理和分析，我们获得了倒立摆的动力学参数。
倒立摆控制系统实验
现代控制理论基础作者: 强盛学号：1110200130学院:自动化专业(方向):自动化题目: 倒立摆控制系统实验指导教师:杜宝珠2015．5．25实验一建立一级倒立摆的数学模型1.1 实验目的学习建立一级倒立摆系统的数学模型，并进行Matlab 仿真。
1.2 实验内容写出系统传递函数和状态空间方程，用Matlab 进行仿真。
1.3 实验步骤系统参数表(1)将数据代入公式，求出系统的传递函数；(2)将数据代入公式，求出系统的状态空间方程；(3)将实际系统的状态空间方程转化为传递函数，与1进行比较；(4)求出传递函数的极点和状态方程A 的特征值，进行比较；(5)进行系统开环脉冲响应和阶跃响应的Matlab 仿真。
1.4 实验内容(1) Matlab 源程序；clear all;f1=0.001;M=1.32;m=0.132;b=0.1;l=0.27;I=0.0032;g=9.8;T=0.02;q=(M+m)*(I+m*l^2)-(m*l)^2;num=[m*l/q 0];den=[1 b*(I+m*l^2)/q -(M+m)*m*g*l/q -b*m*g*l/q];gs=tf(num,den);numpo=[(I+m*l^2)/q 0 -m*g*l/q];denpo=[1 b*(I+m*l^2)/q -(M+m)*m*g*l/q -b*m*g*l/q 0];gspo=tf(numpo,denpo);p=I*(M+m)+M*m*l^2;A=[0 1 0 0;0 -(I+m*l^2)*b/p m^2*g*l^2/p 0;0 0 0 1;0 -m*b*l/pm*g*l*(M+m)/p 0];B=[0;(I+m*l^2)/p;0;m*l/p];C=[1 0 0 0;0 0 1 0];D=[0;0];sys=ss(A,B,C,D);t=0:T:5;y1=impulse(gs,t);y2=impulse(gspo,t);figure(1);plot(t,y2,'b',t,y1,'r');xlabel('t/s');ylabel('Position/m or Angle/rad');axis([0 2 0 80]);legend('Car Position','Pendulum Angle'); gs0=tf(sys);t=0:T:5;y=impulse(sys,t);figure(2);plot(t,y(:,1),t,y(:,2),'r');xlabel('t/s');ylabel('Position/m or Angle/rad');axis([0 2 0 80]);legend('Car Position','Pendulum Angle'); t=0:T:5;y1=step(gs,t);y2=step(gspo,t);figure(3);plot(t,y2,'b',t,y1,'r');axis([0 2.5 0 80]);xlabel('t/s');ylabel('Position/m or Angle/rad');legend('Car Position','Pendulum Angle'); t=0:T:5;y=step(sys,t);figure(4);plot(t,y(:,1),t,y(:,2),'r');xlabel('t/s');ylabel('Position/m or Angle/rad');axis([0 2.5 0 80]);legend('Car Position','Pendulum Angle'); P=pole(gs);Po=pole(gspo);E=eig(A);(2) 给出开环系统的传递函数和状态方程；传递函数:0.7391 s^2 - 20.13---------------------------------------s^4 + 0.07391 s^3 - 29.23 s^2 - 2.013 sX’=AX+BU;Y =CX+DU其中a = 0 1 0 00 -0.07391 0.7175 00 0 0 10 -0.2054 29.23 0b = 00.73912.054c = 1 0 0 00 0 1 0d = 0(3) 给出开环传递函数极点和系统状态矩阵的特征值； 开环传递函数极点：Po = 0；5.4042；-5.4093；-0.0689 系统状态矩阵A的特征值：E = 0；-0.0689；5.4042；-5.4093(4) 给出系统开环脉冲响应和阶跃响应的曲线。
基于matlab的倒立摆模糊控制课程设计报告
智能控制理论及应用课程设计报告题目：基于matlab的倒立摆模糊控制院系：西北民族大学电气工程学院专业班级：10级自动化（3）班学生姓名：蔡余敏学号：P101813455指导教师：刁晨2013.10基于MATLAB的倒立摆模糊控制作者：蔡余敏指导老师：刁晨摘要：倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。
当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。
本文主要针对较为简单的单级倒立摆控制系统而进行的设计分析。
通过建立微分方程模型，求出相关参数，设计出对应的模糊控制器，并运用MATLAB软件进行系统模型的软件仿真，从而达到预定控制效果。
目前，一级倒立摆的研究成果应用于火箭发射推进器和控制卫星的飞行状态等航空航天领域。
关键词：单级倒立摆；微分方程；模糊控制；MATLAB仿真1背景分析倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。
对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。
通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。
同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。
正是由于倒立摆系统的特殊性，许多不同领域的专家学者在检验新提出理论的正确性和实际可行性时，都将倒立摆系统作为实验测试平台。
再将经过测试后的控制理论和控制方法应用到更为广泛的领域中去。
现代控制理论已经在工业生产过程、军事科学、航空航天等许多方面都取得了成功的应用。
例如极小值原理可以用来解决某些最优控制问题；利用卡尔曼滤波器可以对具有有色噪声的系统进行状态估计；预测控制理论可以对大滞后过程进行有效的控制。
但是它们都有一个基本的要求：需要建立被控对象的精确数学模型。
倒立摆实验报告1
专业实验报告学生姓名学号指导老师实验名称倒立摆与自动控制原理实验实验时间一、实验内容（1）完成Matlab Simulink环境下电机控制实现；（2）完成.直线倒立摆建模、仿真与分析；（3）完成直线一级倒立摆PID控制实验：1）理解并掌握PID控制的原理和方法，并应用于直线一级倒立摆的控制；2）在Simulink中建立直线一级倒立摆模型，通过实验的方法调整PID参数并仿真波形；3）当仿真效果达到预期控制目标后，下载程序到控制机，进行物理实验并获得实际运行图形。
二、实验过程1. 实验原理（1）Matlab Simulink环境下电机控制实现实验对象为倒立摆系统上的交流伺服电机。
将运动控制器当前轴设定成速度控制模式，用户需要设定最大速度和加速度两个参数。
该模式下，开始运动时将以设定的加速度连读加速到设定的最大速度，运动方向由速度的符号确定。
（2）直线倒立摆建模方法对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的系统，实验建模存在一定的困难，但忽略一些次要因素后，它是一个典型的刚体系统，可应用经典力学理论，建立系统的状态方程数学模型。
（3）直线一级倒立摆PID控制原理经典控制理论的研究对象主要是单输入单输出的系统，控制器设计时一般需要有关被控对象的较精确模型。
PID控制器因其结构简单，容易调节，且不需对系统建立精确的模型，在控制上应用较广。
比例（P作用）增大，系统响应快，对提高稳态精度有益，但过大易引起过度的振荡，降低相对稳定性。
微分（D作用）对改善动态性能和抑制超调有利，但过强，即校正装置的零点靠近原点或者使开环的截止频率增大，不仅不能改善动态性能，反而易引入噪声干扰。
积分（I作用）主要是消除或减弱稳态误差，但会延长调整时间，参数调整不当容易振荡。
2. 实验方法（1）Matlab Simulink环境下电机控制实现在MA TLAB Simulink仿真环境中，利用“Googol Education Products\GT-400-SV Block Library”建立模型，然后进行仿真并分析结果。
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目录
摘要 (3)
第一部分单阶倒立摆系统建模 (4)
（一）对象模型 (4)
（二）电动机、驱动器及机械传动装置的模型 (6)
第二部分单阶倒立摆系统分析 (7)
第三部分单阶倒立摆系统控制 (11)
（一）内环控制器的设计 (11)
（二）外环控制器的设计 (14)
第四部分单阶倒立摆系统仿真结果 (16)
系统的simulink仿真 (16)
摘要：
该问题源自对于娱乐型”独轮自行车机器人”的控制，实验中对该系统进行系统仿真，通过对该实物模型的理论分析与实物仿真实验研究，有助于实现对独轮自行车机器人的有效控制。
控制理论中把此问题归结为“一阶直线倒立摆控制问题”。
另外，诸如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制、海上钻井平台的稳定控制、飞机安全着陆控制等均涉及到倒立摆的控制问题。
实验中通过检测小车位置与摆杆的摆动角，来适当控制驱动电动机拖动力的大小，控制器由一台工业控制计算机（IPC）完成。
实验将借助于“Simulink 封装技术——子系统”，在模型验证的基础上，采用双闭环PID控制方案，实现倒立摆位置伺服控制的数字仿真实验。
实验过程涉及对系统的建模、对系统的分析以及对系统的控制等步骤，最终得出实验结果。
仿真实验结果不仅证明了PID方案对系统平衡控制的有效性，同时也展示了它们的控制品质和特性。
图1.2 模型验证原理图
利用Simulink压缩子系统功能可将验证原理图更加简捷的表示为图1.3所
-6*sin(u[3]))/(0.09*power(cos(u[3]),2)-0.24)
Fcn
(2):
0.8*u[1]-0.6*u[3]
(3):
Fcn
40*u[3]-2.0*u[1]
图1.3 利用子系统封装后的框图
θ==
x
假定使倒立摆在（）初始状态下突加微小冲击力作用，则依据
0,0
经验知，小车将向前移动，摆杆降倒下。
下面利用仿真实验来验证正确数学模型的这一必要性质。
编制绘图子程序：
% Inverted pendulum
% Model test in open loop
% Singnals recuperation
% 将导入到xy.mat中的仿真实验数据读出
load xy.mat
t=signals(1,:); % 读取时间信号
f=signals(2,:); % 读取作用力F信号
x=signals(3,:); % 读取精确模型中的小车位置信号
q=signals(4,:); % 读取精确模型中的倒立摆摆角信号xx=signals(5,:); % 读取简化模型中的小车位置信号
qq=signals(6,:); % 读取简化模型中的倒立摆摆角信号% Drawing control and x (t) response signals
% 画出在控制力的作用下的系统响应曲线
% 定义曲线的横纵坐标、标题、坐标范围和曲线的颜色等特征
figure (1) % 定义第一个图形
hf=line (t,f(:)); % 连接时间-作用力曲线
grid on;
xlabel (‘Time (s)’) % 定义横坐标
ylabel (‘Force （N）’) % 定义纵坐标
axis ([0 1 0 0.12]) % 定义坐标范围
axet=axes (‘position’，get (gca,‘position’),…
‘XAxisLocation’,‘bottom’,…
‘YAxisLocation’,’right’,’Color’,’None’,…
‘XColor’,’k’,’YColor’,’k’）;
% 定义曲线属性
ht=line (t, x,’color’,’r’,’parent’, axet) ;
% 连接时间-小车位置曲线
ht=line (t, xx,’color’,’r’,’parent’, axet);
% 连接时间-小车速度曲线
ylabel (‘Evolution of the x position (m)’)
% 定义坐标名称
axis ([0 1 0 0.1]) % 定义坐标范围
title (‘Response x and x’’ in the meter to a f (t) pulse of 0.1 N’) % 定义曲线标题名称
gtext (‘\leftarrow f (t)’), gtext (‘x (t) \rightarrow’), …
gtext(‘\leftarrow x’’ (t)’)
% drawing control and theta (t) response singals
figure (2)
hf=line (t, f (:));
grid on
xlabel (‘Time’)
ylabel (‘Force in N’)
axis ([0 1 0 0.12])
axet=axes (‘Position’, get (gca,’Position’),…
‘XAxisLocation’,’bottom’,…
‘YAxisLocation’,’right’,’Color’,’None’,…
‘XColor’,’k’,’YColor’,’k’);
ht=line (t, q,‘color’,’r’,’parent’,axet);
ht=line (t, qq,’color’,’r’,’parent’,axet);
ylabel (‘Angle evolution (red)’)
axis ([0 1 -0.3 0])
title（‘response \theta(t) and \theta’’(t) in rad to a f(t) pulse of 0.1 N’）
gtext (‘\leftarrow f(t)’),gtext (‘\theta（t）\rightarrow’),gtext (‘\leftarrow \theta’’(t)’)
执行该程序的结果如图1.4所示。
从中可见，在0.1N的冲击力作用下，摆
杆倒下（由零逐步增大），小车位置逐渐增加，这一结果符合前述实验设计，故可以在一定程度上确认该“一阶倒立摆系统”的数学模型是有效的。
同时，
由图中也可看出近似模型在0.8s以前与精确模型非常接近，因此，也可以认为近似模型在一定条件下可以表述原系统模型的性质。
图1.4 模型验证仿真结果
下图为各种控制器下的系统根轨迹：
（a）PD （b）PD
（c）PI d）PID
从根轨迹不难发现，采用PD结构的反馈控制器，结构简单且可保证闭环系统的稳定。
所以，选定反馈控制器的结构为PD形式的控制器。
2.控制器参数的选定
仿真结果：
倒立摆位置在阶跃信号下的响应第四部分单阶倒立摆系统仿真结果
系统的simulink仿真
连接图如下：
仿真结果为：
倒立摆在阶跃信号下摆杆和小车位置的响应
从图中容易可以看出建立的一阶倒立摆控制系统在matlab中能够实现倒立摆的要求，能通过电动机牵引机构带动小车的移动来控制摆杆和保持平衡。
为了进一步验证在不同摆杆下的，该一阶倒立摆控制系统是否还具有鲁棒特性可以分别取摆杆不同的质量和摆长，进行simulink仿真！
由上图可知，建立的一阶倒立摆模型在不同摆长下能实现要求。
但摆长不能过长！同理，建立的一阶倒立摆模型在不同质量的摆杆下能也实现要求，但同样不能过重！。