基于ADAMS与MATLAB联合仿真的倒立摆设计毕业论文
基于ADAMS和Matlab的协同仿真及分析
基于ADAMS和Matlab的协同仿真及分析摘要: 应用多体动力学仿真软件ADAMS/Control和强大的控制系统仿真软件Matlab/Simulink进行机械系统和控制系统的协同仿真研究。
以雷达天线为实例，Matlab中输出的控制力矩为机械模型的输入参数，机械模型的天线仰角和电机转速为输出，形成一个闭环系统。
结果表明,利用ADAMS和Matlab进行机械系统和控制系统协同仿真，可以为机电产品的系统动态仿真分析提供有效手段。
关键词： ADAMS; Matlab; 协同仿真复杂产品的开发设计过程通常分为液压、机械、电子、控制等不同子系统，各子系统采用各自领域内的商用仿真软件进行单点仿真[1]。
但单点仿真并不能真实地反映整个系统之间的相互影响，而且当某个系统的参数有变动时，各子系统都要重新设计。
而虚拟样机技术的发展为复杂产品进行精确仿真提供了有效的支持。
虚拟样机技术是一种基于计算机仿真的产品数字化设计方法，涉及到多体运动学与动力学等技术，是在CAX(如CAD、CAE、CAM 等)/DFX(如DFA、DFM等)技术基础上的发展，进一步融合了信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，并将这些技术应用于复杂产品的全生命周期[2]。
利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可缩短开发周期，降低成本。
雷达天线是一种典型的机电一体化产品，利用虚拟样机技术对机械系统和控制系统协同仿真，在可视化的环境下观察控制系统和机械系统的相互影响，输出多种仿真结果。
本文基于ADAMS的强大的动力学仿真建模功能和Matlab/Simulink强大的控制仿真功能，利用ADAMS建立了雷达天线机械模型，并在Matlab/Simulink中设计了控制器，结合在ADAMS中建立雷达天线机械模型，最终建立了基于ADAMS和Matlab的协同仿真模型，通过协同仿真可保证雷达天线达到预定仰角位置，稳定系统。
1 机械系统的虚拟建模本文利用ADAMS/View对雷达天线进行建模。
倒立摆的仿真与实时控制毕业论文
倒立摆的仿真与实时控制摘要倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、不稳定系统，对倒立摆的控制研究无论在理论上和方法上都有深远的意义。
本论文以实验室原有的直线一级倒立摆实验装置为平台，重点研究其PID控制方法，设计出相应的PID控制器，并将控制过程在MATLAB上加以仿真。
本文主要研究容是：首先概述自动控制的发展和倒立摆系统研究的现状；介绍倒立摆系统硬件组成，对单级倒立摆模型进行建模，并分析其稳定性；研究倒立摆系统的几种控制策略，分别设计了相应的控制器，以MATLAB为基础，做了大量的仿真研究，比较了各种控制方法的效果；借助固高科技MATLAB实时控制软件实验平台；利用设计的控制方法对单级倒立摆系统进行实时控制，通过在线调整参数和突加干扰等，研究其实时性和抗千扰等性能；对本论文进行总结，对下一步研究作一些展望。
关键词：一级倒立摆，PID，MATLAB仿真DESIGN AND RESEARCH OF INVERTEDPENDELUMabstractInverted pendulum system is a typical fast, multivariable, nonlinear and unstable system, the control of the inverted pendulum research both in theory and methods on have far-reaching significance. This paper by laboratory original straight line level inverted pendulum experiment device as a platform, focuses on the PID control method, designed the corresponding PID controller, and the control process simulation in MATLAB. This article main research content is: first Outlines the development of automatic control and the present situation of the inverted pendulum system research; Introduces the composition of hardware of inverted pendulum system, modeling of single-stage inverted pendulum model, and analyze its stability; Study several kinds of inverted pendulum system control strategy, the corresponding controller is designed, based on the MATLAB, do a lot ofsimulationKey words: primary inverted pendulum, PID, the MATLAB simulation毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
matlab仿真毕设--倒立摆现代控制理论研究
内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：倒立摆现代控制理论研究倒立摆现代控制理论研究摘要倒立摆系统是一个复杂的非线性、强耦合、多变量和自不稳定系统。
在控制工程中，它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪性等许多控制中的关键问题，是检验各种控制方法的理想工具。
理论是工程的先导，它对倒立摆系统的控制研究具有重要的工程背景，单级倒立摆与火箭的飞行有关，二级倒立摆与双足机器人的行走有相似性，日常生活中的任何重心在上，支点在下的问题都与倒立摆的控制有极大的相似性，所以对倒立摆的稳定控制有重大的现实意义。
迄今，人们已经利用古典控制理论、现代控制理论及多重智能控制理论实现了多种倒立摆系统的稳定控制[5]。
倒立摆的控制方法有很多，如状态反馈控制，经典PID控制，神经网络控制，遗传算法控制，自适应控制，模糊控制等。
其控制方法已经在军工、航天、机器人和一般工业过程等领域得到了应用。
因此对倒立摆系统的控制研究具有重要的理论和现实意义，成为控制领域中经久不衰的研究课题。
本文是应用线性系统理论中的极点配置、线性二次型最优（LQR）和状态观测器等知识，设计了倒立摆系统线性化模型的控制器，通过MA TLAB仿真，研究其正确性和有效性。
通过分析仿真结果，我们知道了，状态反馈控制可以使倒立摆系统很好的控制在稳定状态，并具有良好的鲁棒性。
关键词：倒立摆；现代控制；Matlab仿真；Modern Control Theory Of Inverted PendulumAbstractInverted pendulum system is a complex nonlinear and strongly coupled，multi-variable and unstable system since．In control engineering，it can effectively reflect such stabilization，robustness，with the mobility of control and tracking，and many other key issue，It is the test ideal for a variety of control methods．Theory is the project leader，inverted pendulum control system also has important engineering research background，inverted pendulum with single-stage related torocket for the flight，Inverted pendulum and biped walking robot similar nature in any life in the center of gravity，the fulcrum in the next issue with the inverted pendulum control has a great similarity，so the stability control of inverted pendulum significant practical significance.So far，it has been the use of classical control theory，modern control theory and control theory of multiple intelligence to achieve a variety of inverted pendulum system stability control[5].Inverted pendulum control methods there are many，such as the state feedback control，the classic PID control，neural network control，genetic algorithm control，adaptive control，fuzzy control.The control method has been in military，aerospace，robotics and general industrial processes and other areas have been intended use.Therefore，the control of inverted pendulum system research has important theoretical and practical significance，of becoming enduring research topics in the field.This is the application of the theory of linear systems pole placement，linear quadratic optimal (LQR) and the state observer of such knowledge，the design of the linear inverted pendulum model of the controller，through simulation to study the correctness and effective sex.By analyzing the results of MATLAB simulation，state feedback control can make a goodcontrol of inverted pendulum system in a stable state，and has good robustness，stability control features.Key words: Inverted pendulum；Modern control；Matlab simulation；目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1倒立摆系统模型简介 (1)1.2倒立摆研究的背景与意义 (2)1.3国内外研究现状、水平和发展趋势 (3)1.3.1倒立摆和控制理论的发展 (3)1.3.2倒立摆的控制方法 (4)1.3.3倒立摆的发展趋势 (5)1.4本论文的主要工作介绍 (6)第二章一级倒立摆的数学模型建立及其性能分析 (7)2.1 系统的组成 (7)2.2 一级倒立摆数学模型的建立 (8)2.2.1 数学模型的建立 (8)2.2.2 系统的结构参数 (9)2.2.3 用牛顿力学方法来建立系统的数学模型 (9)2.2.4 一级倒立摆的性能分析[7] (13)2.3 本章小结 (15)第三章现代控制理论在倒立摆控制中的应用 (16)3.1 自动控制理论的发展历程 (16)3.2 经典控制理论 (18)3.2.1 PID控制现状 (18)3.2.2 PID控制的基本原理 (18)3.2.3 常用PID数字控制系统 (20)3.3 现代控制理论 (21)3.3.1 极点配置[11] (22)3.3.2 线性二次型最优的控制理论[7,8] (24)3.3.3 加权矩阵的选取 (26)3.3.4 状态观测器[7] (26)3.4 本章小结 (29)第四章MA TLAB仿真技术 (30)4.1 仿真软件——Matlab简介 (30)4.1.1 MA TLAB的优势 (30)4.2 Simulink简介 (32)4.3 S-函数简介 (33)4.3.1 用M文件创建S-函数 (34)4.4 倒立摆仿真模块的建立 (36)4.5 本章小结 (37)第五章一级倒立摆线性模型系统的仿真 (38)5.1 倒立摆控制器结构选择 (38)5.2 一级倒立摆线性模型系统仿真 (38)5.2.1 Simulink仿真 (42)5.3 本章小结 (46)结束语 (48)参考文献 (49)附录A (51)致谢 (53)第一章绪论1.1倒立摆系统模型简介倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性的系统，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，但它并不是我们想象的那样抽象，其实在我们日常生活中就有很多这样的例子。
基于adams和matlab的一级倒立摆联合仿真
基于adams和matlab的一级倒立摆联合仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：基于PRO/E,ADAMS和MATLAB/SIMULINK 的双回路PID控制一级倒立摆联合仿真目录一、倒立摆简介1、概述2、倒立摆分类3、倒立摆控制方法二、联合仿真流程三、基于PRO/E的一级倒立摆三维建模四、基于ADAMS的一级倒立摆模型设计五、ADAMS和MATLAB/SIMULINK的联合仿真六、一级倒立摆的双回路PID控制策略1、一级倒立摆的角度控制2、一级倒立摆的双闭环控制3、一级倒立摆摆杆长度参数对控制策略的影响七、问题总结参考文献一、倒立摆简介1、概述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。
倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自由连接（即无电动机或其他驱动设备）。
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。
图1.1 一级倒立摆2、倒立摆分类（1）直线型倒立摆它是最常见倒立摆系统,也称车摆装置,根据目前的研究它又分为1，2，3，4级车摆,典型结构图如图11.2所示,图中以三级车摆为例,它是由可以沿直线导轨运动的小车以及一端固定于小车之上的匀质长杆组成的系统,小车可以通过转动装置由力矩电机、步进电机、直流电机或者交流伺服电机驱动,车的导轨一般有固定的行程,因而小车的运动范围都是受到限制的。
基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验
基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验一、实验目的在传统的机电一体化研究设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是他们各自都需要建立自己的模型，然后分别采用不同的分析软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和试验，最后进行机械系统和控制系统各自的物理样机联合调试，如果发现问题又要回到各自的模型中分别修改，然后再联合调试，显然这种方式费时费力。
基于多领域的建模与联合仿真技术很好的解决了这个问题，为机械和控制系统进行联合分析提供了一种全新的设计方法。
机械工程师和控制工程师就可以享有同一个样机模型，进行设计、调试和试验，可以利用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试。
ADAMS与MATLAB是机械系统仿真和控制系统仿真领域应用较为广泛的软件，其中ADAMS为用户提供了强大的建模、仿真环境，使用户能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析，具有十分强大的运动学和动力学分析功能；而MATLAB具有强大的计算功能、极高的编程效率及模块化的建模方式，因此，把ADAMS与MATLAB联合起来仿真，可以充分将两者的优势相结合，将机械系统仿真分析同控制系统设计有机结合起来，实现机电一体化的联合分析。
本实验以倒立摆为例，进行ADAMS与MATLAB的联合仿真，对倒立摆的运动性能和运动规律进行分析。
二、实验方法软件环境：MD ADAMS R3，MATLAB R2009b建立倒立摆的动力学模型启动ADAMS/View模块弹出如图1所示对话框，建立小车及摆杆模型。
首先选择“Create a new model”选项，创建一个新的模型，将该文件保存在相应的文件夹下，本实验将结果保存在E:\daolibai_adams文件夹下，将文件名取为“daolibai_adams”，其余选项保持默认。
注意，在ADAMS中路径名和文件名最好采用英文字符，否则有可能在运行的过程中出现意想不到的错误。
利用ADAMS与MATLAB对平面三级倒立摆的仿真
利用ADAMS与MATLAB对平面三级倒立摆的仿真孔凡国;相飞;钟廷志【摘要】利用ADAMS建立了平面三级倒立摆的虚拟样机模型,并采用ADAMS与MATLAB联合控制的方式,首次完成了平面三级倒立摆的虚拟样机控制仿真.仿真结果表明,尽管X向和Y向系统采用了相同的控制器且初始参数设置完全一样,但仿真结果二者存在一定的区别,这证明了X向和Y向系统存在耦合现象.此外,利用ADAMS与MATLAB联合进行系统的控制仿真,能即时反映控制算法的效果,具有很大的推广价值.%Built in ADAMS planar triple inverted pendulum virtual prototyping model, and uses the ADAMS and MATLAB joint control simulation ways, first completed virtual prototype control simulation of planar triple inverted pendulum. The simulation results show that although X and Y direction system to use the same controller and initial parameters settings exactly the same, but the simulation results to X and Y direction system are different, which proves to X and Y direction system exists coupling phenomenon. In addition, ADAMS and MATLAB joint system control simulation, can reflect the effect of real-time control algorithm, with a great promotion value.【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》【年(卷),期】2012(000)003【总页数】3页(P3-4,30)【关键词】三级倒立摆;ADMS软件;虚拟样机;仿真【作者】孔凡国;相飞;钟廷志【作者单位】五邑大学,广东江门529020;五邑大学,广东江门529020;五邑大学,广东江门529020【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言倒立摆系统作为一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的复杂被控系统［1－2］，在对其控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题，如镇定问题、非线性问题、鲁棒性问题、随动问题以及跟踪问题等，是进行控制理论验证的理想实验平台。
基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验5篇
基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验5篇第一篇：基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验一、实验目的在传统的机电一体化研究设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是他们各自都需要建立自己的模型，然后分别采用不同的分析软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和试验，最后进行机械系统和控制系统各自的物理样机联合调试，如果发现问题又要回到各自的模型中分别修改，然后再联合调试，显然这种方式费时费力。
基于多领域的建模与联合仿真技术很好的解决了这个问题，为机械和控制系统进行联合分析提供了一种全新的设计方法。
机械工程师和控制工程师就可以享有同一个样机模型，进行设计、调试和试验，可以利用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试。
ADAMS与MATLAB是机械系统仿真和控制系统仿真领域应用较为广泛的软件，其中ADAMS为用户提供了强大的建模、仿真环境，使用户能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析，具有十分强大的运动学和动力学分析功能；而MATLAB具有强大的计算功能、极高的编程效率及模块化的建模方式，因此，把ADAMS与MATLAB联合起来仿真，可以充分将两者的优势相结合，将机械系统仿真分析同控制系统设计有机结合起来，实现机电一体化的联合分析。
本实验以倒立摆为例，进行ADAMS与MATLAB的联合仿真，对倒立摆的运动性能和运动规律进行分析。
二、实验方法软件环境：MD ADAMS R3，MATLAB R2009b 2.1 建立倒立摆的动力学模型启动ADAMS/View模块弹出如图1所示对话框，建立小车及摆杆模型。
首先选择“Create a new model”选项，创建一个新的模型，将该文件保存在相应的文件夹下，本实验将结果保存在E:daolibai_adams文件夹下，将文件名取为“daolibai_adams”，其余选项保持默认。
环形倒立摆Adams与Matlab联合仿真实例
机械运动系统设计与实践报告学院：工程学院专业：机械设计及理论姓名：学号：指导教师：2012 年 3 月环形倒立摆Adams与Matlab联合仿真分析一、实践目的1.熟悉和理解环形倒立摆的组成部件及运动原理。
2.通过ADAMS软件对环形倒立摆进行建模，熟练该款软件。
3.通过运用ADAMS导出模块与matlab进行对接处理，熟悉matlab软件的PID运行控制以及掌握simulink的相关设置。
二、实验原理环形倒立摆是通过电机驱动，带动连杆，同时连杆来带动摆杆运动。
中间需要测量的物理参数主要有：连杆的角度、连杆的角速度、摆杆的角度、摆杆的角速度。
通过两个光电编码器进行反馈。
从反馈过程中来调节电机的转速及转向，进而达到摆杆的倒立并保持相对平衡。
下图1即为实验室固高环形倒立摆系统组成框架：图1 环形倒立摆组成框架实验室固高模型使用程序如下：（1）老师给的程序：% this is a new simulation program for new arm-type inverted pendulum % by lgr input on the state of 0 of arm and that of 0 of pendulum% ! CAUTION ,changed base of direction of arm% Suc.clear allclose all%---------------------------------Ma=0.21;Mp=0.062;la=0.133;lp=0.068;La=0.25;Lp=0.19;Ja=5E-3;Jp=5.65E-4;Ca=5.52E-3;Cp=1.69E-4;kt=0.0419;g=9.8;%------------------continuous state equation--------------------ce=[ 1 0 0 0 ;0 1 0 0 ;0 0 Mp*La^2+Ja Mp*La*lp ;0 0 Mp*La*lp Jp ];ca=[ 0 0 1 0 ;0 0 0 1 ;-(Mp*la+Mp*La)*g 0 -(Ca+Cp) Cp ;0 Mp*g*lp Cp -Cp ];cb=[0;0;kt;0];CA=inv(ce)*ca;CB=inv(ce)*cb;C=[1 0 0 0 ; 0 1 0 0];%---------------------------------------------------------------Q=diag([100,10,1,1]);R=1;[f,s,e]=lqr(CA,CB,Q,R);%---------------------------------------------------------------dt=0.005;%sampling timeth_a=0.1 %accdd('Initial angle of arm ',0.1);% ! caution,clock di%rectionth_p=pi;% =accdd('Initial angle of pendulum ',pi);% ! caution,clock dir %ection +d_th_a =0.0;%d_th_p =0.0;%initial values of statesdd_th_a =0.0;%dd_th_p =0.0;%u =0.0;z =0.0;energy =0.0;i =1;%-------------------------- input parameter---------------------alpha =30.0 ; %alpha =accdd('Design Parameter alpha',30.0);energy_d =1.5*Mp*g*lp; %accdd('Desired Energy',1.5*Mp*g*lp);zeta =1 % accdd('Damping Factor',1.0);wc =1 % accdd('Cut Off Frequency',1.0);flag =0;%-------------------------- starting loop ----------------------for i =1:6.0/dtth_a_0 =th_a;%th_p_0 =th_p;%d_th_a_0 =d_th_a;%d_th_p_0 =d_th_p;%dd_th_a_1 =dd_th_a;%dd_th_p_0 =dd_th_p;%if cos (th_p)>=cos(0.2);flag=1;endif flag==0 %----------------------- swimping up ------------------dd_th_a = z-(2*zeta*wc*d_th_a+wc^2*th_a);ydd_temp =-Mp*La*lp*cos(th_a-th_p)*dd_th_a+Mp*La*lp*d_th_a^2*sin(th_a-th_p);dd_th_p =(ydd_temp+Mp*g*lp*sin(th_p)+Cp*d_th_a-Cp*d_th_p)/Jp;d_th_a =d_th_a_0+dd_th_a*dt;d_th_p =d_th_p_0+dd_th_p*dt;th_a =th_a_0+d_th_a_0*dt+dd_th_a*dt^2*0.5;th_p =th_p_0+d_th_p_0*dt+dd_th_p*dt^2*0.5;elseeq_1_1=-Mp*La*lp*d_th_p^2*sin(th_a-th_p)-(Mp*la+Mp*La)*g*sin(th_a);eq_1_2 =-(Ca+Cp)*d_th_a+Cp*d_th_p+kt*u;eq_1_left =eq_1_1+eq_1_2;eq_2_1 =Mp*La*lp*d_th_a^2*sin(th_a-th_p)+Mp*lp*g*sin(th_p);eq_2_2 =Cp*d_th_a-Cp*d_th_p;eq_2_left =eq_2_1+eq_2_2;%-------------------------- calculation of inverse matrix ------------- M11 =Mp*La^2+Ja;M12 =Mp*La*lp*cos(th_a-th_p);M21=Mp*La*lp*cos(th_a-th_p);M22=Jp;M=[M11 M12;M21 M22];MI=inv(M);%-------------------calculation of parameters------------------dd_th_a=MI(1,1)*eq_1_left+MI(1,2)*eq_2_left;dd_th_p=MI(2,1)*eq_1_left+MI(2,2)*eq_2_left;d_th_a= d_th_a_0+ dd_th_a*dt;d_th_p= d_th_p_0+ dd_th_p*dt;th_a= th_a_0+ d_th_a_0*dt+ dd_th_a*dt^2*0.5;th_p= th_p_0+ d_th_p_0*dt+ dd_th_p*dt^2*0.5;energy=0.5*Jp*d_th_p^2+Mp*g*lp*cos(th_p);%energy of pendulumpotential=Mp*g* lp*cos(th_p);kinetic=0.5*Jp*d_th_p^2;%------------------------------------------------------------------------if flag==0error=energy-energy_d;u1=(Mp*La^2+Ja)*dd_th_a+Mp*La*lp*cos(th_a-th_p)*dd_th_p+(Ca+Cp)*d_th_a;u2=Mp*La*lp*d_th_p^2*sin(th_a-th_p)+(Ma*la+Mp*La)*g*sin(th_a)-Cp*d_th _p;u=(u1+u2)/kt;z=alpha*d_th_p*cos(th_p)*error;elseu=-f*[th_a;th_p;d_th_a;d_th_p];end%-----------------Limit input--------------if u>=4.995u=4.995;else if u<=-4.995u=-4.995;endend%----------------------------save data----------------------------accel_th_a(i)=dd_th_a;accel_th_p(i)=dd_th_p;veloc_th_a(i)=dd_th_a;veloc_th_p(i)=dd_th_p;angle_th_a(i)=th_a;angle_th_p(i)=th_p;Energy1(i)=energy;Energy2(i)=kinetic;Energy3(i)=potential;input(i)=u;t(i)=i*dt;end%----------------------------end loop-------------------------------subplot(221);plot(t,angle_th_a);xlabel('time[sec]');ylabel('Angle of Arm [rad]');subplot(222);plot(t,angle_th_p);xlabel('time[sec]');ylabel('Angle of Pendulum [rad]');gridsubplot(223);plot(t,input);xlabel('time[sec]');ylabel('Input');gridsubplot(224);plot(t,Energy1,t,Energy2,':',t,Energy3,'--'); xlabel('time[sec]');ylabel('Energy of Pendulum');控制模型的如图2所示：图2 控制模型控制曲线如图3所示：246-0.4-0.200.20.4time[sec]A n g l e o f A r m [r a d ]246-20246time[sec]A n g l e o f P e n d u l u m [r a d ]246-55time[sec]I n p u t246-0.0500.050.10.15time[sec]E n e r g y o f P e n d u l u m图3 控制曲线三、 A DAMS 建模及参数设置处理 1. 建模此处为了更为清晰的建模，将电机驱动以及连杆、摆杆的模型简化。
二级倒立摆的建模与MATLAB仿真毕业论文
二级倒立摆的建模与MATLAB仿真摘要：本文根据牛顿力学原理，使用机理建模法对二级倒立摆系统进行了建模与仿真研究。
利用最优化控制理论，研究了线性二次型最优控制器对倒立摆系统进行了有效控制。
基于MATLAB程序的设计、仿真的运行，结果表明，二级倒立摆的数学建模法是切实可行的，而且十分可靠，同时利用LQR 控制器实现了对系统的控制，可以达到系统所需要的稳定性，鲁棒性。
关键词：二次型最优控制；二级倒立摆；MATLAB1 引言倒立摆系统是一个常用的、简单的、典型的可进行控制理论研究的实验平台，很多难以用常规实验研究的控制理论问题，都可以通过倒立摆系统来进行研究从而使这些抽象的控制理论问题，通过该系统可以直观的鲜明的显示出来。
所以倒立摆系统一直是控制领域的热点，并且在这些年来在不断的发展进步对控制理论的研究起到了重要作用。
倒立摆系统是一个典型的不稳定系统，具有多变量、强耦合、非线性等特点。
同时也是仿人类行走机器人和火箭发射飞行的过程调整和直升机飞行等实际运用控制对象的最简模型。
本文建立在牛顿力学定律的基础上，研究对象设置为二级倒立摆，对其进行数学建模，再使用二次型最优控制器（linear quadratic regulator，LQR）可以得到一个最优状态反馈的矩阵K，然后在通过对Q和R两个加权矩阵的严谨选取从而实现对二级倒立摆系统良好的自动控制。
2 二级倒立摆模型建立一个典型的二级倒立摆系统主要由机械部分和电气装置两部分组成。
机械装置的结构主要由小车、摆杆1、摆杆2及连接轴等组成，电气装置的主要结构是功率放大器、电动机、驱动电路、保护电路等。
其系统的结构如图1所示。
实验假设如下：(1)小车、摆杆1、摆杆2的材料性质都是刚体的。
(2)小车的驱动力和放大器的输出直接的，无滞后的作用于小车上。
(3)忽略实验中过程中出现的不可避免的各种摩擦力如库伦摩擦力等。
图1 二级倒立摆控制系统的结构二级倒立摆的参数设定如表1。
基于ADAMS和MATLAB的双回路PID控制倒立摆联合仿真
基于ADAMS和MATLAB的双回路PID控制倒立摆联合仿
真
应再恩;平雪良;陈鲁刚
【期刊名称】《机械传动》
【年(卷),期】2012(36)8
【摘要】倒立摆系统是典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定系统,是检验各种控制理论的理想模型。
研究了倒立摆系统的构成并建立了数学模型,针对摆杆角度和小车位移两个输出量采用双回路PID控制并设计了PID控制器,在ADAMS软件中建立了倒立摆系统的机械模型,在MATLAB软件中建立了控制模型,通过接口实现了双回路PID控制倒立摆的联合仿真。
文中方法直接从ADAMS中产生机械系统仿真模型,避免了推导、列写较复杂的方程描述机械系统,大大简化了建模过程,而且能够更直观地观察仿真结果。
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】一级倒立摆;PID控制;ADAMS;MATLAB;仿真
【作者】应再恩;平雪良;陈鲁刚
【作者单位】江南大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于ADAMS和MATLAB的双轮虚拟倒立摆的控制仿真 [J], 曹志杰;孙汉旭;贾庆轩
2.基于ADAMS和MATLAB的双回路PID桥式起重机定位与防摆控制研究 [J], 张瑞栋
3.一级倒立摆的双回路PID控制 [J], 李琳
4.基于无迹卡尔曼滤波的一级倒立摆双回路PID控制 [J], 余扬;李艳彩;陈君华
5.基于Matlab的倒立摆PID控制系统的设计 [J], 刘珺蕙;张杰
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利用ADAMS与MATLAB对平面三级倒立摆的仿真
ＫＯＮＧ ｎ ｕｏ，ＸＩ Ｆａ ｇ ＡＮＧ ｉ ＺＨＯＮＧ ｉ ｇ ｈｉ Ｆｅ ， Ｔｎ ｚ
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Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｂｕｉ ｎ ＡＤＡＭＳ ｐ ａ ｒｔｉ ｅ ｉ ｖ ｒｅ ｅ ｄ ｌ ｍ ｉｔ ａ ｒ ｔｔｐｉ ｄ ｌ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｓ ｒ ｃ ： ｌ ｉ ｔ ｌｎａ ｒｐｌ ｎ ｅｔ ｄ ｐ ｎ ｕ ｕ ｖｒｕ ｌｐ ｏ ｏｙ ｎｇ ｍｏ ｅ ，ａ ｄ ｕ ｅ ｈ
Ｉ ｄ ｉｏ ， Ｄ ＭＳａ ｄＭＡ Ｌ Ｂｊｉｔ ｙｔｍ ｃ ｎｒ ｉ ｌ ｉ ， ａ ｆ ｃ ｔｅｅ ｅｔ ｆ ｅｌｉ ｅｃｎ ｎａ ｄｔ ｎ Ａ Ａ ｎ Ｔ Ａ ｎ ｓｓ ｏ ｔ ｌ ｍｕａ ｏ ｃｎｒｌ ｔｈ ｆ ｃ ｏ ａ—ｍ ｏ — ｉ ｏ ｅ ｏｓ ｔｎ ｅｅ ｆ ｒ ｔ
ｔｏ ｌｏ ｉｈ ，ｗｉ ｒ ａ ｒ ｍｏｉ ｎ ｖ ｌ ｅ ｒ ｌａ ｇ ｒｔ ｍ ｔ ａ ｇ ｅ ｔｐ ｏ ｔ ａｕ ． ｈ ｏ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： ａ ａ ｒｐ ｅ ｉｖ ｒｅ ｎ ｌ ｍ ；ＡＤＭ Ｓ ｓ ｆｗａ ｅ；ｖ ｒｕ ｌｐ ｏｏｙ ｅ；ｓｍ ｕ ａｉｎ ｙｗ ｒ ｐｌｎ ｒｔｉｌ ｎ ｅ ｔ ｄ ｐｅ ｄｕ ｕ ｏｔ ｒ ｉ ａ ｒ ｔ ｔｐ ｔ ｉ ｌｔｏ
基于ADAMS和MATLAB的双轮虚拟倒立摆的控制仿真
有打滑， 且绕
Ｘ 轴无旋转运
翻滚运动 （ｒｏｌｌ）
动， 忽略与之
"ｘ
ＴＬ
Ｘｒｍ Ｘ
ＴＲ Ｙ 俯仰运动 （ｐｉｔｃｈ）
图 ２ 倒立摆简化模型
相 关 的 作 用 力 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｗｏ－
和干扰力， 并
ｗｈｅｅｌ ｐｅｎｄห้องสมุดไป่ตู้ｌｕｍ
且不考虑车体的转弯运动， 仅对倒立摆沿 Ｘ 轴作直线运
（ ５） 输 出 机 械 系 统 模 块 ： 选 择 菜 单 Ｔｏｏｌｓ＞Ｐｌｕｇｉｎｓ＞ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ＞ｌｏａｄ， 系 统 加 载 ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ 模 块 ， 然 后 选 择 ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ＞Ｐｌａｎｔ Ｅｘｐｏｒｔ， 系 统 弹 出 输 入 输 出 状 态变量的对话框。在 Ｆｉｌｅ Ｐｒｅｆｉｘ 的 对 话 框 内 写 上 输 出 文 件的名字 ｔｅｓｔ； 在左面的输入对话框中单击鼠标右键，选 择 ＡＤＡＭＳ Ｖａｒｉａｂｌｅ＞Ｇｕｅｓｓｅｓ， 然 后 分 别 选 择 Ｆｏｒｃｅ＿ｌｅｆｔ、 Ｆｏｒｃｅ＿ｒｉｇｈｔ， 在 右 面 的 输 出 对 话 框 中 分 别 选 择 Ａｎｇｌｅ、 ＡｎｇｌｅＶ、Ｖ、Ｘ； 在 Ｔａｒｇｅｔ Ｓｏｆｔｗａｒｅ 对 话 框 中 选 择 ＭＡＴ－ ＬＡＢ， 在 ｈｏｓｔｎａｍｅ 中 输 入 本 计 算 机 的 名 字 ； 然 后 点 ＯＫ， 系 统 会 在 当 前 目 录 下 生 成 ａｖｉｅｗＡＳ．ｃｍｄ、 ｔｅｓｔ．ａｍｄ、 ｔｅｓｔ． ｃｍｄ、ｔｅｓｔ．ｍ 四个文件。
关键词： 倒立摆； ＡＤＡＭＳ； ＭＡＴＬＡＢ； 仿真 中图分类号： ＴＰ３９１．９ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－ ６６７３ （ ２００７） ０４－ ０８８－ ０３
基于MATLAB编程的倒立摆实验的实现
常好 的 编 程 工 具 。 ＭＡ Ｔ Ｌ ＡＢ软 件 恰 恰 在 这 两 个 方 面 具 有 突 出 的优 点 ，
图 １ 倒 立 摆 示 意 图
目前 ，国 外 的控 制 等 相 关课 程 都将 其 作 为 一 种 标 准 的 工 图 中 Ｏ为 ｘ坐 标 轴 原 点 ，也 即 设 定 的 小 车 运 动 的 具 编 写进 教 材 并 应 用 到 教 学 中 ，而 我 国 在 此 方 面 的课 程 正 方 向 ， 为 小 车 位 移 。 ０为 倒 立 摆 偏 离 平 衡 位 置 的 偏 改 革 还显 得 不 足 ，尤其 在 本科 生 的 教 学 中涉 及 的仍 然 很 移量 ，单 位 取 弧度 。ｏ为 小 车 运 动 加 速 度 ，正 方 向与 坐
和倒 立 摆 的 偏 移 量 。在 本 实 验 中 ， 尽 管 小 车 的 行 程
除 了 可 以对 算 法进 行仿 真 外 ，还 可 以利 用 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 有 限 ，但 我 们 并 不 控 制 小 车 的位 移 ，只 关 心倒 立 摆 的输 实 现 对 算 法 的模 块 化 编 程 。其 具 体 实 现 与传 统 ｃ语 言 编 出偏 移 量 。
程 的方 法 有 很 大 的不 同 ，它 已经 脱 离 了逐 行 书 写 程 序 代 对 其 进 行 受 力 分 析 ，在 小 车 运 动 中 ，倒 立 摆 受 到 两 码 的方 式 。类 似 利 用 Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎ ｋ模 块 进 行 仿 真 ，它 只需 通 个 力 ：一 为 自身 的 重 力 Ｍｇ，一 为 小 车 运 动 对 倒 立 摆 产 过 模 块 搭 建 来 实 现 算 法 编 程 ，相 比 逐 行 书 写 代 码 的 方 生 的 惯 性 力 Ｍａ ，其 方 向与 小 车 加 速 度 方 向相 反 。 式 ，其 算 法 结 构 更 清 晰 ， 出错 概 率 大 幅下 降 ，最 主 要 的 根据牛顿运动定律 ： 是 将 仿 真 与 实 验 紧 密 的 联 系 起 来 ，缩 短 了 编 程 时 间 ，可 以使 学 生 有 更 多 的精 力 对 实 验 的整 体 进 行 把 握 并 对 算 法
毕业设计(论文)-基于matlab的一级倒立摆控制器设计与仿真[管理资料]
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摘要倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的高阶不稳定系统，它是检验各种新型控制理论和方法有效性的典型装置。
近年来，许多学者对倒立摆系统进行广泛地研究。
本文研究了直线一级倒立摆的控制问题。
首先阐述了倒立摆系统控制的研究发展过程和现状，接着介绍了倒立摆系统的结构并详细推导了一级倒立摆的数学模型。
本文分别用极点配置、LQR最优控制设计了不同的控制器，极点配置法通过设计状态反馈控制器将多变量系统的闭环系统极点配置在期望的位置上，从而使系统满足要求的瞬态和稳态性能指标。
最优控制理论主要是依据庞特里亚金的极值原理，通过对性能指标的优化寻找可以使目标极小的控制器。
若取状态变量的二次型函数的积分做为系统的性能指标，则称为线性系统二次型性能指标的最优控制。
通过比较和MATLAB仿真，验证了所设计的控制器的有效性、稳定性和抗干扰性。
关键词：单级倒立摆；MATLAB；控制器设计；极点配置；LQRABSTRACTInverted pendulum is a typical multi-variable, non-linear, strong coupling and rapid movement of high-end system instability, It is testing various new control theory and methods of the effectiveness of the typical devices. In recent years, many scholars of the inverted pendulum extensive study.In this paper, a straight two inverted pendulum control on the inverted pendulum control of the development process and the status quo, then introduced the inverted pendulum system and the detailed structure of the two inverted pendulum is derived a mathematical model. In this paper, with pole placement, LQR optimal control design a different controller, By comparing and MATLAB simulation, verified the effectiveness ,stability and anti-jamming of the controller.Pole-zero configuration can configure the closed-loop system poles of multi-variable system in the desired position, by designing of the state feedback controller，so that to make the system meets the requirements of the transient and steady state performance indicators.Optimal control theory is mainly based on the Pontryagin maximum principle, by the optimization of the performance indicators to find the minimal goal of the taking the integral of the quadratic function of state variables as the system of performance indicators, called the as the linear quadratic performance index of optimal control.Key words : Single stage Inverted pendulum; MATLAB; Controller design; Zero-pole ; LQR目录摘要 (1)ABSTRACT (2)1 绪论 0控制理论的发展 0倒立摆系统简介及其研究意义 0倒立摆研究的发展现状及其主要控制方法 (1)研究目标 (2)2 直线一阶倒立摆数学模型的建立 (4)倒立摆系统的物理结构与建模 (4)系统参数设定 (7)系统能控性与能观性 (8)3 极点配置控制方案的设计 (9)极点配置理论 (9)极点配置算法 (10)极点配置控制方案的设计 (11)4 线性二次型最优控制(LQR)方案的设计 (15)最优控制的起源和发展 (15)线性二次型最优控制原理 (15)最优控制矩阵的设计 (18)5 控制系统的MATLAB仿真 (22)MATLAB软件介绍 (22)极点配置控制方案的仿真 (23)线性二次型最优控制(LQR)方案的仿真 (26)干扰条件下控制系统的仿真 (27)S函数模拟动画设计 (28) (31)6 总结与展望 (32)参考文献 (35)致谢 (36)附录 (37)1 绪论控制理论的发展控制理论发展至今已有100多年的历史，随着现代科学技术的发展，它的应用也越来越广泛。
基于MATLAB的倒立摆系统控制系统设计与仿真【毕业作品】
1 绪论1.1倒立摆系统简介倒立摆系统是一种很常见的又和人们的生活密切相关的系统，它深刻揭示了自然界一种基本规律，即自然不稳定的被控对象，通过控制手段可使之具有良好的稳定性。
倒立摆系统是一个非线性，强耦合，多变量和自然不稳定的系统。
它是由沿导轨运动的小车和通过转轴固定在小车上的摆杆组成的。
在导轨一端装有用来测量小车位移的电位计，摆体与小车之间由轴承连接，并在连接处安置电位器用来测量摆的角度。
小车可沿一笔直的有界轨道向左或向右运动，同时摆可在垂直平面内自由运动。
直流电机通过传送带拖动小车的运动，从而使倒立摆稳定竖立在垂直位置。
图1.1一级倒立摆装置简图由图1.1中可以看到，倒立摆装置由沿导轨运动的小车和通过转轴固定在小车上的摆体组成。
导轨的一端固定有位置传感器，通过与之共轴的轮盘转动可以测量出沿导轨由图中可以看到，倒立摆装置由沿导轨运动的小车和通过转轴固定在小车上的摆运动的小车位移；小车通过轴承连接摆体，并在小车与摆体的连接处固定有共轴角度传感器，用以测量摆体的角度信号；并通过微分电路得到相应的速度和角速度信号；导轨的另一端固定有直流永磁力矩电机，直流电机通过传送带驱动小车沿导轨运动，在小车沿导轨左右运动的过程中将力传送到摆杆以实现整个系统的平衡。
倒立摆的种类很多，有悬挂式倒立摆、平行式倒立摆、和球平衡式倒立摆；倒立摆的级数可以是一级，二级，乃至更多级。
控制方法也是多种，可以通过模糊控制，智能控制，PID控制，LQR控制等来实现倒立摆的动态平衡，本文介绍的是状态反馈极点配置方法来实现一级倒立摆的控制。
1.2倒立摆的控制规律当前，倒立摆的控制规律可总结如下:（1）状态反馈H控制[1]，通过对倒立摆物理模型的分析，建立倒立摆的动力学模型，然后使用状态空间理论推导出状态方程和输出方程，应用状态反馈和Kalnian滤波相结合的方法，实现对倒立摆的控制。
（2）利用云模型[2-3]实现对倒立摆的控制，用云模型构成语言值，用语言值构成规则，形成一种定性的推理机制。
基于Adams与Matlab联合仿真的摆式列车动力学计算
对 于摆式 列车这 样 的大型 机 电移 动设 备 系统 ， 启 动研 从 发到 最终 产品定 型 ， 用现 有 的先 进 计算 技 术 和理论 进 运
行 仿 真 模 拟 是 主 要 的研 究 手 段 之 一 。 Ａｄ ｍｓ软 件 建 立 ａ
式 中 Ｍ ， 分 别代表 质量 、 工 惯性 矩 ； ｚ 代表 横 向 、 向 ， ， 垂 位移及侧 滚角 。下标 ： 一 １ ２（ ｉ ～ １为导向轮对 ， 为后 随 ２
摆枕质心 的横 向距 离 ； ， ， ｚ ｚ Ｉ 别 为 一系 悬 挂 、 分 一 吊杆上 铰点（ Ｂ 以及作 动 器下 铰点 （ 到 构架 质 心 的横 向距 Ａ， ） Ｅ）
离； 为 抗 侧 滚 力 矩 ； １ 为 左 右 吊 杆 作 用 力 ； 为 二 系 Ｆ．
运 用 多体 动 力 学软 件 建 立 了摆 式 列 车 纵一 横一 垂 向机 电耦合 动力学 模型 ， 考虑 了列 车 系统 中存 在 的轮 轨 几何接 触关 系非 线 性 、 轨 蠕 滑力 非 线 性 、 辆 二 系 悬 轮 车 挂非线 性等特 点 。整车 动力 学模 型如 图 １所 示 ， 车体 通 过二 系悬挂 与摆 枕连 接 ， 对八 字 形 吊杆 （ 图 中 ＡＣ， 一 如 Ｂ 将 摆枕 吊挂在 构架 上 ， 电作 动器 Ｅ Ｄ） 机 Ｆ推 动摆 枕 ， 使 其带动 车体 一起倾 摆运 动 。以摆 枕 和构架 为 例 ， 其动
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ ＡＹ ＬＷ ＬＯＣＯＭ ＯＴＩ ＶＥ ＆ Ｃ ＡＲ
Ｖ ｏ ． Ｏ ＮＯ． １３ ２
Ａ ｐｒ ． ２ ０ ０１
文章 编号 ：０ ８ ８ ２（０ ０ ２ ０ ３ ４ １ ０ —７ ４ ２ １ ）０ ～０ ３ —０
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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-simulationof ADAMS and MATLABAbstract: 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年代初期开始，状态反馈理论对不同类型倒立摆的控制问题成了当时的一个研究热点。
上世纪80年代后期，将模糊理论应用于单级倒立摆的控制，取得了很大的成功。
从上世纪90年代开始，神经网络控制倒立摆的研究有了快速的发展。
另外，还有其他的控制方法用于倒立摆的控制。
利用云模型实现智能控制倒立摆。
利用云模型的方法，不用建立系统的数学模型，根据人的感觉、经验和逻辑判断，将人用语言值定性表达的控制经验，通过语言院子和云模型转换到语言控制规则器中，解决了倒立摆控制的非线性问题和不确定性问题。
遗传算法是美国密歇根大学Holland教授倡导发展起来的, 是仿真生物学中的自然遗传和达尔文进化理论而提出的并行随机优化算法。
1.3本论文主要内容设计要求：利用动力学仿真软件ADAMS搭建倒立摆的虚拟仿真系统，进行运动学及动力学仿真；通过ADAMS与MATLAB的接口模块ADAMS/control，利用MATLAB/Simulink模块搭建倒立摆的联合仿真控制系统，设计合适的参数，使满足性能指针要求；实现基于MATLAB与ADAMS的倒立摆的联合仿真。
要求倒立摆系统具有较好的动态响应特性。
在对设计要求的充分理解下，本文中完成了单级倒立摆的建模工作，包括数学建模和ADAMS软件建模，重点论述了用ADAMS建模的过程以及其和MATLAB联合仿真的具体步骤和过程。
本文将采用用三种方法实现对倒立摆的控制，首先在MATLAB中控制倒立摆，然后在ADAMS中建立倒立摆模型并实现初步控制，最后联合ADAMS与MATLAB，再次实现对倒立摆系统的控制。
通过这三种方法，可以很直观的体会到ADAMS与MATLAB联合仿真的优点。
第2章倒立摆的数学模型及控制方法2.1建模方法的选择系统建模的方法可以分为两种：机理建模和实验建模。
实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入－输出关系。
这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。
机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入－状态关系。
由于倒立摆系统本身是自不稳定的系统，实验建模存在一定的困难。
但是忽略掉一些次要的因素后，倒立摆系统就是一个典型的运动的刚体系统，可以在惯性坐标系内应用经典力学理论建立系统的动力学方程。
在本设计中采用牛顿-欧拉方法建立单级倒立摆系统的数学模型。
为了方便研究倒立摆系统的控制方法，建立一个比较精确的倒立摆系统的模型是必不可少的。
目前，人们对倒立摆系统建模一般采用两种方法：牛顿力学分析方法，欧拉—拉格朗日原理。
本文采用牛顿—欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的模型。
2.2倒立摆系统模型倒立摆系统由水平移动的小车及由其支撑的单节倒立摆构成。
控制输入为驱动力F（N），是由拖动小车的直流伺服电机提供的；被控制量是摆杆与垂直位置方向夹角θ（rad）和小车的位移1所示。
实际倒立摆系统的模型参数：M ：小车的品质，1.096kg ；m ：摆杆的品质，0.109kg ；b ：小车的摩擦系数，0.1N /(m /sec )；L ：摆杆的中心到转轴的长度，0.25mJ ：摆杆对重心的转动惯量，0.0034kg ⋅m 2；T ：采样周期，0.005秒；对小车进行受力分析，图中P 和N 分别表示摆杆运动在水平方向和垂直方向上对小车的作用力(N)，f v 是小车的摩擦力，等于xb 。
摆的运动由水平方向、铅直方向以及旋转方向的运动构成。