基于ADAMS与MATLAB联合仿真的倒立摆设计毕业论文

基于ADAMS与MATLAB联合仿真的

倒立摆设计

摘要：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。倒立摆的控制方法在军工、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。本文先分别用MATLAB和ADAMS两种软件对倒立摆系统进行建模仿真，然后将两者联合仿真，采用PID控制，用三种方法实现了对倒立摆系统的的控制。仿真结果互相对比、补充，充分展现了各种仿真方法的特点，并直观的论证出利用两种软件进行联合仿真的优点和意义。

关键词：ADAMS；MA TLAB；倒立摆；联合仿真

Design of inverted pendulum based on the co-simulation

of ADAMS and MATLAB

Abstract: The control of inverted pendulum system is a nonlinear,complex, unstable,system, It’s an ideal experimental platform of control theory teaching and carrying out of various control experiments. Control methods of inverted pendulum are widely used in military, aerospace, robotics and general industrial fields, such as robot balance control in rocket launch, the verticality control and satellite flight attitude control. This paper first respectively by MATLAB and ADAMS for modeling and Simulation of the inverted pendulum system, and then combining the two for co-simulation.With the PID control, the control of inverted pendulum system are realized by three methods. The simulation results contrast and complement each other, fully demonstrated the characteristics of various simulation methods, and intuitive proves the advantages and significance of combined simulation using this two kinds of software.

Key words: ADAMS,MATLAB,inverted pendulum, co-simulation

目录

第1章绪论 (1)

1.1 课题研究背景与意义 (1)

1.2 国内外发展现状 (1)

1.3 本论文主要内容 (2)

第2章倒立摆的数学模型及控制方法 (3)

2.1 建模方法的选择 (3)

2.2 倒立摆系统模型 (3)

2.3 控制方法的选择 (6)

2.4 PID算法简介 (6)

本章小结 (8)

第3章基于MATLAB的倒立摆控制系统设计 (10)

3.1 MATLAB软件简介 (10)

3.2 倒立摆系统开环稳定性分析 (11)

3.3 摆杆角度PID控制 (12)

3.4 小车位移PID控制 (13)

3.5 Simulink模型构建 (14)

3.6 系统闭环稳定性分析 (14)

3.7 系统脉冲响应分析 (15)

3.8系统阶跃响应分析 (17)

本章小结 (19)

第4章基于ADAMS的倒立摆控制系统设计 (20)

4.1 ADAMS软件介绍 (20)

4.1.1 ADAMS简介 (20)

4.1.2 ADAMS软件组成 (20)

4.2 ADAMS中倒立摆控制方案 (22)

4.3 倒立摆ADAMS模型建立 (22)

4.4 PID控制 (24)

4.4.1 不加控制时系统仿真分析 (24)

4.4.2 PID控制时系统仿真分析 (26)

本章小结 (27)

第5章基于MATLAB和ADAMS联合仿真的倒立摆控制系统设计 (29)

5.1 ADAMS与MATLAB联合仿真意义 (29)

5.2 ADAMS与MATLAB联合仿真过程 (29)

5.2.1 建立ADAMS模型 (29)

5.2.2 确定ADAMS的输入输出 (30)

5.2.3 ADAMS与MATLAB的连接 (31)

5.2.4 构建控制模型 (32)

5.2.5 联合仿真 (34)

本章小结 (35)

总结 (36)

致谢................................................... 错误!未定义书签。参考文献 (37)

第1章绪论

1.1课题研究背景与意义

倒立摆控制系统是一个不稳定的、复杂的、非线性系统, 主要是由导轨、小车和各级摆杆组成。其在控制理论教学中有重要的作用，同时它也是开展各种控制实验的的理想实验平台。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各种控制中的典型问题都可以通过对倒立摆系统的研究得到有效的反映。通过对倒立摆的控制，可以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。本课题在深入理解倒立摆基本原理的基础上，确立单级倒立摆控制为本文的研究课题。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。它的这些特性使得许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性等等，都可以通过单级倒立摆系统实验直观的表现出来。而作为实验装置，它本身又具有成本低廉、结构简单、便于仿真、形象直观的特点。因此，许多现在控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象。而在欧美发达国家的许多高等院校，也将它视为必备的控制理论教学实验设备。所以，研究倒立摆系统对以后的教育研究领域和控制研究领域具有非常深远的影响。

ADAMS能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析，建模直观、清晰，同时具有十分强大的运动学和动力学分析功能；MATLAB具有强大的计算功能，计算结果和程序设计的可视化也令它的使用更加的方便和广泛，是控制理论中使用最广泛的软件。把ADAMS和MA TLAB联合起来仿真，可以将机械系统仿真分析同控制设计仿真有机地连接，将两种软件的优势结合起来。本课题以实验室典型控制系统倒立摆为对象，对其进行机电机电一体化联合分析。

1.2国内外发展现状

自倒立摆系统产生以来，国内外研究者就不断的进行着研究，也取得了很大的成果.上个世纪60年代，国外有学者提出了bang-bang的稳定控制。在60年代后期，控制理论界提出了倒立摆的概念，受到世界各国许多科学家的重视。从上世纪70年代