倒立摆实验报告根轨迹
倒立摆与自动控制原理实验(1)
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倒立摆实验报告根轨迹
倒立摆实验报告根轨迹摘要：本实验通过倒立摆实验，研究了倒立摆系统的根轨迹特性。
实验中使用了倒立摆系统，通过对系统阻尼比和控制增益的调节，观察了根轨迹的变化情况。
实验结果表明，当阻尼比和控制增益适当选择时，系统表现出稳定性和良好的控制性能。
引言倒立摆（Inverted Pendulum）是一种非线性控制系统，由垂直放置的杆和单个质点组成。
倒立摆系统在实际应用中具有广泛的应用前景，例如在无人平衡车、自行车倒立控制等领域。
倒立摆系统的稳定性和控制性能是非常重要的研究问题。
而根轨迹法是一种分析控制系统稳定性和性能的常用方法。
本实验旨在通过根轨迹的分析，研究倒立摆系统的稳定性和控制性能。
实验流程和方法本实验使用了一个由伺服电机、倒立摆、放大器和数据采集系统组成的倒立摆平台。
首先，调节倒立摆系统保持平衡的位置，通过控制器控制倒立摆的角度。
随后，分别调节系统的阻尼比和控制增益，观察根轨迹的变化情况。
实验中使用示波器记录了系统的输出响应，并利用MATLAB进行数据分析和根轨迹的绘制。
实验结果与分析根据实验记录的数据和MATLAB分析，我们得到了不同阻尼比和控制增益下的根轨迹曲线。
以下是实验中的一些典型结果和分析。
1.高阻尼情况下的根轨迹当系统的阻尼比较高时，根轨迹近似于一个稳定的圆。
这是因为高阻尼抑制了系统的振荡，使系统的相对稳定，并且响应速度较快。
然而，高阻尼比可能会导致系统的超调响应过大，因此在选择阻尼比时需要综合考虑。
2.低阻尼情况下的根轨迹当系统的阻尼比较低时，根轨迹呈现出振荡的特点。
这是由于低阻尼下系统的振荡现象不易被抑制。
可以观察到，随着阻尼比的减小，根轨迹呈现出越来越多的振荡周期，并且在左右对称分布。
低阻尼情况下，系统可能会出现很大的超调和震荡，因此需要适当增加控制增益以提高控制性能。
3.不同控制增益下的根轨迹图形显示，控制增益的选择对根轨迹起着重要作用。
当增益较小时，系统表现出较慢的响应速度，并且具有较大的超调。
合肥工业大学自动控制理论综合实验倒立摆实验报告
合肥工业大学自动控制理论综合实验倒立摆实验报告————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期：1、把上述参数代入，求解系统的实际模型;a)摆杆角度和小车位移之间的传递函数;M=1.0９6;m=０.１09；b=０.１；l＝０.２5；I=0．０0３4;g＝９.8;ｎ1=[m*l 00];d1＝[I+m*ｌ^2０-m*ｇ＊l];Phi1=ｔf(ｎ１,ｄ1)返回:Ｔransfer function:0.０2725 ｓ^2---------－----------０．01021 s^2- 0.267１b）摆杆角度和小车加速度之间的传递函数；继续输入：n2=[m*l];d2=d1； Pｈi2=tｆ（n2,d2)返回：Traｎsfeｒ functｉon:0.０27２5---－--－-----－－----－-0.01021 s^2 - 0.２６71c）摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数；继续输入：ｑ=(M+m)*(Ｉ＋m*l^２）-(m*l）^２;n3=[m*l／q 0 0］；d3=[1 b*（Ｉ＋ｍ*l^2)/ｑ -（M+m）＊m*g*l/q －b＊m*g*l/ｑ 0];Phｉ３=tf（n３,d3）返回：Transｆer ｆunｃｔiｏｎ:2．3５7 ｓ^２--－-------－--－－－－--------------－------－s^４＋ 0.088３2 s^３ - 27.83 ｓ^２ - 2.309 sｄ)以外界作用力作为输入的系统状态方程；继续输入:q2＝(I*(M+m)+M＊m＊ｌ＾2);A1=[0 1 0 ０;0-(Ｉ+m*l＾2)*b／ｑ２ｍ^2＊ｇ*l^2/q２ 0;０ 0０1；0 -ｍ＊l＊ｂ/q2m*g*ｌ＊(M+m)/q２０］;B1=[０；(I+m*ｌ^２)/q2;0;ｍ＊l/ｑ２];C1＝[1 0 0 0;０ 0 1 0];D１=[0;０]；sys1=ss(A1,B１,C1,D1）返回：a =ｘ1 x2 x3 ｘ４x1 0 １ 0 0x2 ０－０.088３２ 0.629３ 0x3 0 ００ 1ｘ4 ０-0.２357 2７．８３0ｂ=ｕ1ｘ1 0x2 0.8８3２x3 0x４ 2.3５７c =x1 x2 x３ x４y1 １ 0 0 0y2 0 ０ 1 0d =u１y1 0ｙ2 0e)以小车加速度作为输入的系统状态方程;继续输入：Ａ2=[0 1 0 0;0 0 00;0 0 ０ 1;0 ０ 3/(4*l)0］;B２=［0;1;０；3／（４＊l)]；C2=C１；D2=D１;sｙs2=ss（A2,B２,C2,Ｄ2）返回：a＝x1 x２x3 x4x１0 1０0x2 ０0 0 0x３０0 0 1x400 3 0b =ｕ1x1 ０x2 1x3 0x4３c=x1 ｘ2 x３x4ｙ１１0 ０0y2０0 1 0d＝u1y１0y2 02、根据倒立摆系统数学模型（以小车的加速度为输入的模型，即sys2）,判断开环系统的稳定性、可控性和可观性；稳定性:继续输入：eｉg(A2)返回:ans =1.7321-1.7321有一个位于正实轴的根和两个位于原点的根，表明系统是不稳定的。
(完整)倒立摆实验报告
专业实验报告摆杆受力和力矩分析θmg VH θX V X H图2 摆杆系统摆杆水平方向受力为：H 摆杆竖直方向受力为：V 由摆杆力矩平衡得方程：cos sin Hl Vl I φφθθπφθφ⎧-=⎪=-⎨⎪=-⎩（1） 代入V 、H ，得到摆杆运动方程。
当0φ→时，cos 1θ=，sin φθ=-，线性化运动方程：2()I ml mgl mlx θθ+-=1.2 传递函数模型以小车加速度为输入、摆杆角度为输出，令，进行拉普拉斯变换得到传递函数：22()()mlG s ml I s mgl=+- （2） 倒立摆系统参数值：M=1.096 % 小车质量 ，kg m=0.109 % 摆杆质量 ，kg0.1β= % 小车摩擦系数g=9.8 % 重力加速度，l=0.25 % 摆杆转动轴心到杆质心的长度，m I= 0.0034 % 摆杆转动惯量，以小车加速度为输入、摆杆角度为输出时，倒立摆系统的传递函数模型为：20.02725()0.01021250.26705G s s =- （3） 1.3 倒立摆系统状态空间模型以小车加速度为输入，摆杆角度、小车位移为输出，选取状态变量：(,,,)x x x θθ= （4）由2()I ml mgl mlx θθ+-=得出状态空间模型001001000000001330044x x x x x g g lμθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥'==+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦（5） μθθθ'⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0001000001 xx x y （6） 由倒立摆的参数计算出其状态空间模型表达式：（7）010000001000100029.403x x x x x μθθθθ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥'==+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦（8）00x μθθ⎤⎥⎡⎤⎥'+⎢⎥⎥⎣⎦⎥⎥⎦作用）增大，系统响应快，对提高稳态精度有益，但过大易作用）对改善动态性能和抑制超调有利，但过强，即校正装Ax B Cx μ+= 1n x ⎥⎥⎥⎦，1n x x x ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，1111n n nn a A a a ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ ， 1n B b ⎥⎥⎥⎦，]n C c =。
倒立摆实验报告
《线性系统理论》课程——倒立摆实验报告基本情况实验完成了基本要求，通过pid、极点配置、根轨迹、和ldr方法调试运行一级倒立摆，设计新的pid参数，调试运行状态，逐渐使一级倒立摆稳定，完成了实验的基本要求。
在对一级倒立摆完成实验的基础上，进一步对二级倒立摆进行了分析研究。
这其中的工作主要包括针对LDR方法运行demo，观察系统稳定性，快速性，调整系统参数，查看有什么问题，并且针对问题提出修改意见。
在多次试验后，对系统有了进一步的了解，便开始着手二级倒立摆极点配置方法的实现问题。
这部分继续学习了极点配置的方法，通过编写m文件，计算K，仿真运行系统，查看系统图像，查看调节时间，超调量等。
逐渐调试参数，使系统指标顺利达到。
最后是进行试验，进一步调整系统参数。
在这一个过程中，经验很重要，同时偶然因素也起到了重要的作用。
所以调试一个系统真的不容易。
这一部分的内容在第六节中进行了较为详细的介绍收获对倒立摆的系统原理有了更深层次的了解掌握了pid、极点配置、根轨迹、ldr方法设计系统学会了一些调试运行系统的经验加强了和同学之间的交流，锻炼了软件实现编程能力改进意见这里我有一个小小的建议，这是我在做实验的时候遇到了问题总结。
系统参数含义还不是很清楚。
在这个方面尤其是参数对应着系统的具体实际含义不明确，只能在尝试凑参数，有时出现了一个问题，不知道是哪个参数引起的，所以影响了效率，结果也不是很明显。
改进意见：共有四次实验，第一次实验安排不变但是试验后，负责人要收集问题，主要是要老师来解决的，在第二次实验前针对上一次的问题进行集体讲解一下，尤其是与物理的联系，不要仅仅是自己做实验吧，第三次和第一次相同，第四次与第二次相同。
在这个完成后，如果课堂有时间，可以进行了一个小小的试验心得介绍，和大家交流心得体会。
或者是老师统一解决一下这个总体过程中的问题，我觉得这样结果会更好一点。
下面是具体的详细报告一、倒立摆系统介绍倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。
重庆大学先进控制(倒立摆)实验报告
专业实验报告
图3调节出的PID 控制器
获得理想响应曲线后，记录相应的D K 、P K 、I K ，将该组数据代入实物系统，观察倒立摆系统的稳态稳定情况，并据此再次调节D K 、P K 、I K ，直至达到理想效果为止。
已知2+(8)I D P I
PID
P D K K s K s K C K K s s s
+++=（s)=
图5 直线一级倒立摆 PID 控制界面
图6 直线一级倒立摆PID 控制实验结果倒立摆系统状态空间模型
图7 图8
图9 状态空间极点配置实物控制平台
选取了合适的4个闭环极点并通过了仿真测试后即可进行倒立摆系统实物控制。
进入MATLAB Simulink 实时控制工具箱“Googol Education Products”打开“Inverted Pendulum\Linear Inverted Pendulum\Linear 1-Stage IP Swing-UpControl”中的“Swing-Up Control Demo，如图10
图10 状态空间极点配置实物控制效果
（此表在授位前请放入硕士学位申请书中相应位置）。
倒立摆实验报告(根轨迹)
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2014年7月5日一、实验内容（1）完成.直线倒立摆建模、仿真与分析；（2）完成直线一级倒立摆根轨迹校正与仿真控制实验：1）理解并掌握根轨迹控制的原理和方法，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根轨迹参数并仿真波形；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）直线倒立摆建模方法倒立摆是一种有着很强非线性且对快速性要求很高的复杂系统，为了简化直线一级倒立摆系统的分析，在实际的建模过程中，我们做出以下假设：1、忽略空气阻力；2、将系统抽象成由小车和匀质刚性杆组成；3、皮带轮和传送带之间无滑动摩擦，且传送带无伸长现象；4、忽略摆杆和指点以及各接触环节之间的摩擦力。
实际系统的模型参数如下表所示：M 小车质量0.618 kgm 摆杆质量0.0737 kgb 小车摩擦系数0.1 N/m/sec0.1225 ml 摆杆转动轴心到杆质心的长度I 摆杆惯量0.0034 kg*m*mg 重力加速度9.8 kg.m/s（2）直线一级倒立摆根轨迹校正控制原理基于根轨迹法校正的基本思想是：假设系统的动态性能指标可由靠近虚轴的一对共轭闭环主导极点来表征，因此，可把对系统提出的时域性能指标的要求转化为一对期望闭环主导极点。
确定这对闭环主导极点的位置后，首先根据绘制根轨迹的相角条件判断一下它们是否位于校正前系统的根轨迹上。
如果这对闭环主导极点正好落在校正前系统的根轨迹上，则无需校正，只需调整系统的根轨迹增益即可；否则，可在系统中串联一个超前校正装置。
常见的校正器有超前校正、滞后校正以及超前滞后校正等。
2. 实验方法（1）直线倒立摆建模、仿真与分析利用牛顿-欧拉方法建立直线一级倒立摆系统的数学模型；依照根轨迹设计的步骤得到系统的控制器，利用MA TLAB Simulink中的工具进行仿真分析。
自动控制实验报告——球杆系统倒立摆bupt概要
球杆系统实验实验一小球位置的数据采集处理一、实验目的：学会用Simulink仿真与硬件连接并获得小球位置。
二、实验任务：1、在MatLab Simulink中通过添加功能模块完成球杆系统模型的建立；2、正确获得小球位置数据；三、实验原理：小球的位置通过电位计的输出电压来检测，它和IPM100的AD转换通道AD5相连，AD5(16位)的范围为0－65535，对应的电压为0－5V，相应的小球位置为0－400mm。
MatLab Simulink环境下的数据采集处理工具箱提供了强大的功能。
可以编写扩展名为mdl的图形文件，采集小球的位置信号，并进行数字滤波。
四、实验设备及仪器：1、球杆系统；2、计算机MATLAB平台；五、实验步骤：将MatLab主窗口的Current Directory文本框设置为球杆控制程序的系统文件夹；在MatLab主窗口点击进入Simulink Library Brower窗口，打开工具箱Googol Education Products\4. Ball & Beam\A. Data Collection and Filter Design，运行Data Collection and Filter Design程序，确认串行口COM Port为1后，双击Start Real Control模块，打开数据采集处理程序界面；已有的模块不需再编辑设置，其中Noise Filter1模块是专门设计的滤波器，用来抑制扰动。
请参考以下步骤完成剩余部分：1、添加、设置模块：添加User-Defined Functions组中的S-Function模块，双击图标，设置name为AD5；parameters为20.添加Math Operations组中的Gain模块，双击图标，设置Gain为0.4/65535.0.添加Sinks组中的Scope模块，双击图标，打开窗口，点击(Parameters)，设置General 页中的Number of axes为2，Time Range为20000，点击OK退出，示波器屏成双；分别右击双屏，选Axes properties，设置Y-min为0，Y-max为0.4.2、连接模块：顺序连接AD5、Gain、Noise Filter1、Scope模块，完成后的程序界面如图所示：图1.1.1 完成后的数据采集处理程序界面点击运行程序，双击Scope模块，显示滤波前后的小球位置-时间图，拨动小球在横杆上往返滚动，可得如下实验结果：图1.1.2 小球位置的数据采集处理六、实验总结通过这个实验、我学会了球杆系统模型的建立以及小球位置的获取。
直线一级倒立摆实验报告
Gs KDs2 KPs KI
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相当于给系统增加了一个位于原点的开环极点和两个位置可变的开环零点，因此 对于低阶已知数学模型的系统，根据期望的性能指标可以采用根轨迹法确定PID 参数。
2、频域法确定PID参数 对于已知频率特性曲线的系统，PID控制器相当于 给频率特性曲线增加了积分环节和一个二阶微分环节，通过调整PID参数，可以 改变PID控制器的频率特性，进而改变闭环系统的频率特性。
当摆杆被控时，小车的运动的位移也受到导轨实际长度的限制。因此，输出量除 了摆杆角度外，还有一个小车运动的位移。位移与输入量小车加速度之间的关系 为：
X (s) 1
Rs s2
控制系统结构图:
1
s2
Transfer Fcn1
Pos
3
In1 Out1
Step
s2+-29.4
Addห้องสมุดไป่ตู้
Transfer Fcn
Step 0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pos.
0
-2
-4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ang.
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
由曲线可以看出，系统角度超调量为33.6%，调整时间接近0.55秒，位移变化平 稳，角度输出稳定。故这组参数可以作为PID控制参数；
2、基于计算机MATLAB 平台进行现场倒立摆控制，绘制实验曲线； 直线一级倒立摆系统是小车在光滑的导轨上运动，小车上铰链了一根摆杆，
倒立摆仿真实验报告(连续、离散)
倒立摆仿真实验报告倒立摆是一个非线性、不稳定的系统，是经常作为研究比较不同控制方法的典型例子。
有许多抽象的控制概念，如控制系统的稳定性、可控性、系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观地表现出来，倒立摆系统的高阶次，不稳定，多变量，非线性和强耦合等特性，使得许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象。
倒立摆系统具有3个特性，即：不确定性，耦合性，开环不稳定性。
直线型倒立摆系统，是由沿直线导轨运动的小车以及一端固定于小车上的匀质长杆组成的系统，小车可以通过传动装置由交流伺服电机驱动，小车导轨一般有固定的行程，因而小车的运动范围是受到限制的。
一阶倒立摆建模在忽略了空气流动阻力，以及各种摩擦之后，可将倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如下图所示M ：小车质量；x ：小车位置；m ：摆杆质量J ：摆杆惯量；F ：加在小车上的力；l ：摆杆转动轴心到杆质心的长度；θ：摆杆与垂直向上方向的夹角。
图1 倒立摆示意图倒立摆的数学模型为πθθπθθθθ180cos )3/4(]sin )180/([cos sin 22⨯-+-=l m ml l m f mg p p 我们可以实时量测角度θ（◦），并计算出角速度θ （◦/s ），控制的任务是产生合适的作用力f,以使倒立摆保持直立状态。
一 连续模糊控制器1、论域的正规化首先设定 15=m θ，s m/60 =θ，N F m 10=，将θ，θ ，f 的实际值分别除以m θ，mθ ，m F ，并加以1±限幅后，得到正规化的输入输出变量：其中]1,1[,,-∈z y x 2、定义模糊几何及其隶属函数对正规化的输入输出变量x,y,z 各定义五个模糊集合：NL ，NS ，Z ，PS ，PL ，分别用51~A A ，21~B B ，21~C C 来代表，x,y,z 三个变量的模糊集合的隶属函数均是对称，均匀分布，全交迭的三角形，如图2所示。
图2 变量的隶属函数 3、设计模糊控制规则集x 和y 各有五个模糊集合，所以最多有2552=条规则，根据经验只用11条规则即可，如表1所示。
倒立摆根轨迹.ppt
二、根轨迹法设计倒立摆摆杆角度控制器
给系统施加一个单位阶跃 扰动，输出量为摆杆角度 时，系统框图 如图（a） 所示。
此为输入为小车推力，输 出为摆杆角度的传递函数。
Controller Cs
图（a）
4
二、根轨迹法设计倒立摆摆杆角度控制器
Controller Cs
图（b）
由于输入r(s)=0,系统框图可变换 成如图（b）所示，图中红色方 框就是我们所要设计的控制器。
山东大学本科论文答辩
倒立摆系统控制器设计与仿真 根轨迹
姓 名： 学 号： 指导老师： 专 业：
李冬雪
20078001010 周东涛 自动化
机电与信息工程学院
1
目录
引言 根轨迹法设计倒立摆摆杆角度控制器 基于线性模型的Simulink仿真 总结与展望 致谢
2
一、引 言
直线一级倒立摆
沃尔特·查理德·伊文思 （Walter Richard Evans）
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三、基于线性模型的Simulink仿真
搭建Simulink仿真模型如图(1)所示，
图(1)
其中，示波器的4个输出依次为小车位 置，小车速度，摆杆摆角，摆杆角速 度。
下面我们通过示波器观察小车位置和 摆杆角度的曲线图。
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三、基于线性模型的Simulink仿真
图(2)是摆杆角度的曲线图，图(3)是 小车位置的曲线图。由图可知，摆杆 能够稳定，但是小车的位置不能够控 制。
由此可知，开环传递函数在右半平面 无零点，即r=0，由图(5)分析可知， (-1,j0)左侧的正穿越N+=1，负穿越N=1，根据奈氏判据 N N N 0 r ， 所以此时系统是稳定的。
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二、根轨迹法设计倒立摆摆杆角度控制器
自控期末设计一阶倒立摆小车实验报告
B J 1 vl sin Hl cos 2 m d (l cos ) v mg ml cos 2 ml sin dt 2 d2 2 ml cos ml sin m 2 ( z l sin ) H mz dt d2z dz uH M 2 B2 dt dt
倒立摆实验素 孙圳
自控原理期末设计倒立摆实验报告
课程名称：自控原理倒立摆实验报告 指导老师：杨智 学生学院：信息科学与技术学院 专业班级：12 级自动化 学 号：12350068 12350015 12350054 郭素素 孙圳
学生姓名：许天野
完成时间： 2014 年 12 月
其中： H 和 v 分别是摆杆和小车结合部的水平反力和垂直反力，B1 为摆杆和小车 的摩擦系数， B2 为小车摩擦系数， J 为转动惯量， u 是作用在小车上的力。 化简得：
ml cos m lg sin ( J ml 2 ) z B1 B z 2 u ml sin ( M m) z (ml cos )
1
倒立摆实验报告
12 自动化
许天野 郭素素 孙圳
目录
一、理论设计思路........................................................................................................................... 3 1.1 数学模型..........................................................................................................
倒立摆实验报告
倒立摆实验报告引言倒立摆是一种经典的控制系统实验装置，利用倒立摆可以研究和理解控制系统的稳定性及其根轨迹的特性。
本实验通过测定倒立摆的根轨迹，并对实验结果进行分析，探索倒立摆的稳定性和控制系统的性能。
实验目的1.了解倒立摆的结构和工作原理；2.掌握倒立摆控制系统的根轨迹特性；3.利用倒立摆进行根轨迹实验，并分析实验结果。
实验原理倒立摆是由一根铁质杆和一个轻质圆盘构成的。
在平衡状态下，倒立摆处于竖直位置，当对其施加一定的扰动时可以观察到摆的动态行为。
实验中我们使用了一个光电编码器来测量倒立摆的角度，并通过控制系统来调整倒立摆的位置。
倒立摆控制系统的根轨迹特性是指当系统输入为单位阶跃函数时，系统输出的波形特性。
通过绘制系统的根轨迹可以揭示系统的稳定性和性能。
在本实验中，我们会通过改变控制系统的参数来绘制根轨迹，并对根轨迹进行分析。
实验装置实验中所使用的装置包括：倒立摆、光电编码器、电机驱动装置、计算机。
实验步骤1.将倒立摆放置在水平台上，并连接光电编码器，调整光电编码器使其与倒立摆的铁质杆垂直。
2.连接电机驱动装置到倒立摆，用电机驱动装置施加控制信号。
3.打开计算机，并通过专业软件控制电机驱动装置。
4.开始实验前，需要设定合适的实验参数，如比例增益、积分时间等。
5.通过调整参数，观察倒立摆的根轨迹变化，并记录数据。
6.针对不同参数设定，重复步骤5，并记录根轨迹数据。
实验结果和分析在实验中，我们根据不同的参数设定，绘制了多个根轨迹曲线，并分析了其特性。
根据根轨迹的绘制结果，我们可以得出以下结论：1.当比例增益过大时，根轨迹会发生振荡，并可能导致系统不稳定。
2.当积分时间过大时，根轨迹的形状趋于椭圆，系统的响应速度会降低。
3.当积分时间过小时，根轨迹的形状趋于双曲线，系统很难控制。
4.当比例增益和积分时间适当时，系统的根轨迹呈现较好的稳定性和响应速度。
结论通过本实验，我们了解到了倒立摆控制系统的根轨迹特性，并对其进行了分析。
实验七 直线一级倒立摆根轨迹控制实验
实验七直线一级倒立摆系统根轨迹校正和仿真一、实验目的（1）了解直线倒立摆系统的组成以及系统建模的过程；（2）学习根轨迹法设计控制器的原理和方法；（3）学习用MA TLAB&SIMULINK对倒立摆系统建立模型的方法，并仿真实现；（4）学习用MA TLAB实现倒立摆控制器的设计，并仿真实现；（5）了解根轨迹校正实时控制方法和过程。
二、实验设备（1）直线倒立摆实验装置（2）电控箱（3）GT-400-SV-PCI运动控制卡（4）计算机（5）软件要求：Matlab6.5以上版本软件，VC++6.0软件，板卡自带Device Manager，倒立摆实时控制软件。
三、实验原理3.1 倒立摆系统组成（见附录4）3.2 倒立摆系统模型（见附录4）3.3 根轨迹分析闭环系统瞬态响应的基本特性与闭环极点的位置紧密相关，如果系统具有可变的环路增益，则闭环极点的位置取决于所选择的环路增益，从设计的观点来看，对于有些系统，通过简单的增益调节就可以将闭环极点移到需要的位置，如果只调节增益不能满足所需要的性能时，就需要设计校正器，常见的校正器有超前校正、滞后校正以及超前滞后校正等。
根据附录中公式（15）得到倒立舞者开环传递函数，输入为小车的加速度，输出为倒立摆系统摆杆的角度，被控对象的传递函数为：给系统施加脉冲扰动，输出量为摆杆的角度时，系统框图如下：图7-1 直线一级倒立摆闭环系统图（脉动干扰）考虑到输入r(s) = 0，结构图变换成：图7-2 直线一级倒立摆闭环系统简化图（脉动干扰）该系统的输出为：其中num ——被控对象传递函数的分子项；den ——被控对象传递函数的分母项；numlead 、denlead ——控制器超前环节传递函数的分子项；numlag 、denlag ——控制器滞后环节传递函数的分子项和分母项；k ——控制器增益实际系统的开环传递函数为：可以看出，系统有两个零点，有两个极点，并且有一个极点为正。
(完整版)倒立摆实验报告(PID控制)
专业实验报告3. 实验装置直线单级倒立摆控制系统硬件结构框图如图1所示，包括计算机、I/O设备、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘反馈测量元件等几大部分，组成了一个闭环系统。
图1 一级倒立摆实验硬件结构图对于倒立摆本体而言，可以根据光电码盘的反馈通过换算获得小车的位移，小车的速度信号可以通过差分法得到。
摆杆的角度由光电码盘检测并直接反馈到I/O设备，速度信号可以通过差分法得到。
计算机从I/O设备中实时读取数据，确定控制策略（实际上是电机的输出力矩），并发送给I/O设备，I/O设备产生相应的控制量，交与伺服驱动器处理，然后使电机转动，带动小车运动，保持摆杆平衡。
图2是一个典型的倒立摆装置。
铝制小车由6V的直流电机通过齿轮和齿条机构来驱动。
小车可以沿不锈钢导轨做往复运动。
小车位移通过一个额外的与电机齿轮啮合的齿轮测得。
小车上面通过轴关节安装一个摆杆，摆杆可以绕轴做旋转运动。
系统的参数可以改变以使用户能够研究运动特性变化的影响，同时结合系统详尽的参数说明和建模过程，我们能够方便地设计自己的控制系统。
图2 一级倒立摆实验装置图上面的倒立摆控制系统的主体包括摆杆、小车、便携支架、导轨、直流伺服电机等。
主图7 直线一级倒立摆PD控制仿真结果图从上图可以看出，系统在1.5秒后达到平衡，但是存在一定的稳态误差。
为消除稳态误差，我们增加积分参数Ki，令Kp=40，Ki=60，Kd=2，得到以下仿真结果：图8 直线一级倒立摆PID控制仿真结果图从上面仿真结果可以看出，系统可以较好的稳定，但由于积分因素的影响，稳定时间明显增大。
双击“Scope1”，得到小车的位置输出曲线为：图9 施加PID控制器后小车位置输出曲线图由于PID 控制器为单输入单输出系统，所以只能控制摆杆的角度，并不能控制小车的位置，所以小车会往一个方向运动，PID控制分析中的最后一段，若是想控制电机的位置，使得倒立摆系统稳定在固定位置附近，那么还需要设计位置PID闭环。
倒立摆PID和根轨迹设计
一、课程设计背景本课程设计是《自动控制原理》课程的具体应用和实践，是自动化、测控技术与仪器专业的专业基础课知识的综合应用，其重点在于将理论知识应用于一个具体的控制系统。
通过控制对象特性研究、控制规律选择、控制系统设计、控制系统仿真试验、控制参数整定、控制方法改进和控制效果分析等活动，加强对控制理论的理解，锻炼控制理论实践能力，学会控制工程师的基本技能。
倒立摆系统是一种绝对不稳定、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。
倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展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，且不需要对系统建立精确的模型，在控制上应用较广。
二、本组情况本组共四人：姚鹏、苗伟军、康明礼、夏晓峰姚鹏：负责根轨迹的设计。
苗伟军：负责PID控制设计。
三、控制对象和实际控制要求直线一级倒立摆的数学模型为u x x x x ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∙301004.2900100000000010θθθθ u x x x y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0001000001θθθ 在上面的一级倒立摆的数学模型中：x 是小车的位移；θ是摆杆的偏角；.x 是小车的速度；θ 是摆杆的角速度； ..x 是小车的加速度；θ 是摆杆的角加速度； u 是小车的加速度。
要求实现如下三点：1.试采用PID 控制器实现对倒立摆的控制。
2.试用根轨迹设计对倒立摆进行控制。
3.对两种控制方法做比较。
四、控制对象特性的研究对于根轨迹设计对倒立摆进行控制是在MATLAB 的软件界面系统的做的，而采用PID 控制器实现对倒立摆的控制是在Simulink 的控制界面里实现的。
实验D 倒立摆根轨迹校正仿真与实验
1、 受力分析 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，如图 1.1 所示
三、 实验设备
1、 直线一级倒立摆； 2、 计算机 MATLAB 平台；
四、 实验原理
系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。机理建模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—输出状态关系。实验建 模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。
0
Imaginary Axis
-2
-4
-6
-6
-4
-2
0
2
4
Real Axis
图 2.1 系统闭环根轨迹图(e2_0.m)
(2.1)
6
由系统根轨迹图可以看出闭环传递函数的一个开环极点位于右半平面，并且闭环系统的 根轨迹关于虚轴对称，这意味着无论根轨迹增益如何变化，闭环根总是位于正实轴或者虚轴 上，即系统总是不稳定或临界稳定的。
图 1.2 是系统中小车的受力分析图。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。
图 1.2 系统中小车的受力分析图
图 1.3 是系统中摆杆的受力分析图。 Fs 是摆杆受到的水平方向的干扰力, Fh 是摆杆受 到的垂直方向的干扰力，合力是垂直方向夹角为 的干扰力 Fg 。
倒立摆根轨迹校正预习报告
倒立摆根轨迹校正预习报告一、倒立摆系统分析根据指导书上给出的倒立摆微分方程及参数得到倒立摆系统传递函数如下：s m s m M mgl bs ml I s mI ml I M mls s F s glb )()())(()()(232422-+-++++=Φ=449.146.1708634.0479.123--+s s s ssm s m M mgl bs ml I s mI ml I M mgls I ml s F s X glb )()())(()()()(2324222-+-++++-+==ss s s s 449.146.1708634.049.1408634.02342--+-79.16713.1)()()(22422-=-+=Φs mgls s I ml ml s s A s )()(s A s Φ根轨迹分析如下图开环极点为4.0966和-4.0966。
可见系统是不稳定的。
在任何增益下，总会有一个极点在虚轴或左半平面，因此系统也都不会稳定。
二、校正环节设计根据设计要求，校正后系统稳定且满足调整时间0.5s s t =（2％的误差）、超调量s<10%的瞬态性能指标。
根据经验公式，)1/(2ςςπ--=e s ，ns t ςω4≈。
由s<10%得0.60ς≥。
同时由0.5s s t =的条件知*8n ωζ=。
考虑用极点对消的方式调整系统。
可消的极点有两个，分别是4.0966和-4.0966，如果消去4.0966，则系统变化为24.0966 1.713*16.79s Ks p s -+-闭环特征多项式为32(1.71316.79)16.797.018s ps K s p K ++---要让系统稳定，必须p>0，而K 又通常大于0，所以系统一定不稳定。
以上推到说明，一旦校正装置和真实系统没有恰好零极点相消，则系统不论如何不能够稳定。
所以为了避免这种风险，我们选择消去-4.0966。
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专业实验报告（2）直线一级倒立摆根轨迹校正控制原理基于根轨迹法校正的基本思想是：假设系统的动态性能指标可由靠近虚轴的一对共轭闭环主导极点来表征，因此，可把对系统提出的时域性能指标的要求转化为一对期望闭环主导极点。
确定这对闭环主导极点的位置后，首先根据绘制根轨迹的相角条件判断一下它们是否位于校正前系统的根轨迹上。
如果这对闭环主导极点正好落在校正前系统的根轨迹上，则无需校正，只需调整系统的根轨迹增益即可；否则，可在系统中串联一个超前校正装置。
常见的校正器有超前校正、滞后校正以及超前滞后校正等。
2. 实验方法（1）直线倒立摆建模、仿真与分析利用牛顿-欧拉方法建立直线一级倒立摆系统的数学模型；依照根轨迹设计的步骤得到系统的控制器，利用MATLAB Simulink中的工具进行仿真分析。
（3）直线一级倒立摆根轨迹校正控制利用MATLAB Simulink来实现根轨迹校正控制参数设定和仿真，并利用该参数来设定只限一级倒立摆的根轨迹校正控制器值，分析和仿真倒立摆的运行情况。
3. 实验装置直线单级倒立摆控制系统硬件结构框图如图1所示，包括计算机、I/O设备、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘反馈测量元件等几大部分，组成了一个闭环系统。
图1 一级倒立摆实验硬件结构图对于倒立摆本体而言，可以根据光电码盘的反馈通过换算获得小车的位移，小车的速度信号可以通过差分法得到。
摆杆的角度由光电码盘检测并直接反馈到I/O设备，速度信号可以通过差分法得到。
计算机从I/O设备中实时读取数据，确定控制策略（实际上是电机的输出力矩），并发送给I/O设备，I/O设备产生相应的控制量，交与伺服驱动器处理，然后使电机转动，带动小车运动，保持摆杆平衡。
图2是一个典型的倒立摆装置。
铝制小车由6V 的直流电机通过齿轮和齿条机构来驱动。
小车可以沿不锈钢导轨做往复运动。
小车位移通过一个额外的与电机齿轮啮合的齿轮测得。
小车上面通过轴关节安装一个摆杆，摆杆可以绕轴做旋转运动。
系统的参数可以改变以使用户能够研究运动特性变化的影响，同时结合系统详尽的参数说明和建模过程，我们能够方便地设计自己的控制系统。
图2 一级倒立摆实验装置图上面的倒立摆控制实验仪器，包括：摆杆机构、滑块导轨机构基座，其特征在于：其蜗杆通过轴承固定于基座上，与之啮合的涡轮扇的轴通过轴承固定于动座下边，大皮带轮轴一端联接电机，另一端电位计由支座固定于动座上并电机共轴，大皮带轮与2个小皮带轮通过皮带连结，并通过轴承固定于动座之上；滑块固定联接于皮带轮之间的皮带上，同时滑块与动座固定的导轨动配合；摆杆机构通过下摆支座与滑块绞接；控制箱连电位计，电机。
4. 实验容及步骤1）设计根轨迹校正控制器。
（1）确定闭环期望极点dS 的位置，由最大超调量2(1)10%p M e ζζπ--=≤，可以得到0.5912ζ≥，取0.6ζ=， 由cos ζθ=得0.9273θ=rad ，其中θ为位于第二象限的极点和原点的连线与实轴负方向的夹角。
图3 性能指标与根轨迹关系图又由40.5s nt sζω=≤可以得到13.3333n ω≥，取13.5n ω=，于是可以得到期望的闭环极点为13.5(cos sin )8.110.8j j θθ-±≈-±*。
（2）未校正系统的根轨迹在实轴和虚轴上，不通过闭环期望极点，因此需要对系统进行超前校正，设控制器为1()(1)1cc cs z aTs G s a Ts s p ++==>++。
（3）计算超前校正装置应提供的相角，已知系统原来的极点在主导极点产生的滞后相角和为1113.5sin 13.5sin ()tan tan 13.5cos 7.74613.5cos 7.7462.1362d G s θθθθ--⎛⎫⎛⎫⎛⎫=-+ ⎪ ⎪ ⎪-+⎝⎭⎝⎭⎝⎭≈，所以一次校正装置提供的相角为3.1416 2.1362 1.0054φ=-=。
（4）设计超前校正装置，已知0.9273θ=，对于最大的a 值的γ角度1()0.60452γπθφ=--=。
图4 根轨迹校正计算图按最佳确定法作图规则，在上图中画出相应的直线，求出超前校正装置的零点和极点，分别为7,24c p z z =-=-，校正后系统的开环传递函数为2(7) 6.122()()2460.06c K s Q KG s G s s s +==+-。
（5）由幅值条件()1d Q s =，反馈为单位反馈，所以可得52.71k =。
（6）于是我们得到了系统的控制器52.71(7)()24s G s s +=+（2）直线倒立摆建模、仿真与分析1）应用经典力学的理论，结合实验手册建立直线一级倒立摆系统的抽象数学模型；（3）直线一级倒立摆PID控制实验1）PID控制参数设定及仿真在Simulink中建立如图5所示的直线一级倒立摆模型。
图5 基于根轨迹校正控制的直线一级倒立摆Simulink仿真模型点击“Simulation”菜单，在下拉菜单中选择“Simulation Parameters”，在下面窗口中设置“Simulation time”以及“Solver options”等选项。
设置仿真步长为0.01秒。
图6 Simulation Parameters界面点击运行仿真，双击“Scope”模块观察仿真结果：图7 直线一级倒立摆的根轨迹校正仿真结果（一阶控制器）可以看出，系统能较好的跟踪阶跃信号，但是存在一定的稳态误差，修改控制器的零点和极点，可以得到不同的控制效果，多次改变参数后，选取仿真结果最好的参数进行根轨迹校正控制物理实验。
2）根轨迹校正控制实验双击快捷方式“元创兴便携式倒立摆实物控制”，在左侧的SelectExperiment模块中选择实验编号2，然后单击右侧对应的Enabled Subsystem模块后出现以下界面。
图8 根轨迹校正实验模块组成把仿真得到的参数输入根轨迹校正控制器，点击“OK”保存参数；点击编译程序，完成后点击使计算机和倒立摆建立连接；点击运行程序，缓慢提起倒立摆的摆杆到竖直向上的位置，在程序进入自动控制后松开，当小车运动到正负限位的位置时，用工具挡一下摆杆，使小车反向运动。
5、实验延伸拓展在学习本次根轨迹校正控制实验的同时，我查阅了更多的资料，并尝试运用matlab自带的工具箱来获得更加稳定的根轨迹校正控制器的值。
2、传递函数表达式Gc =From input to output...1.485 s^2 + 1.319e-15 s - 29.151: --------------------------------------s^4 + 0.1485 s^3 - 20.16 s^2 - 2.915 s2.974 s - 5.151e-182: ----------------------------------s^3 + 0.1485 s^2 - 20.16 s - 2.915Continuous-time transfer function.3、零极点增益表达式Gs =2.9745 s------------------------------(s-4.488) (s+4.492) (s+0.1446)Continuous-time zero/pole/gain model.（2）SISO TOOL进行根轨迹分析>> SISOTOOL(Gs)打开SISO Design TOOL得到系统开环传递函数的根轨迹图，并调节Control and Estimation Tools Manager|Control Architecture 窗口，使得控制器C在反馈通道图9 Control Architecture 窗口打开Edit|SISO Tool Preferences|Options|选择Zero/pole/gain，没有添加控制器的开环传递函数根轨迹如图所示，图10 开环传递函数根轨迹然后在Matlab Command Window中再输入：>>pole(Gs)ans =4.4884-4.4923-0.1446可以看到传递函数的极点分布为：两个左半平面的极点和一个右半平面的极点，以及一个在原点的零点，构成了非最小相位系统，显然，系统是不稳定，由于传递函数有一个极点位于右半平面.（3）通过添加超前滞后校正得到相对稳定的系统依次添加的零点-5与极点-100构成超前校正器，添加的零点-1与极点0构成滞后校正，最后拖动系统闭环主导极点，使其向左半平面移动，从而调节增益k，并同时观察阶跃响应曲线和Nyquist曲线，使得系统稳定，并同时达到设计指标。
所添加的零点-1与极点0构成滞后校正，滞后校正网络实质上是一个低通滤波器，对低频信号有较高的增益，从而减小了系统的稳态误差，同时由于滞后校正在高频段的衰减作用，使增益剪切频率移到较低的频率上，保证了系统的稳定性。
从而有助于改善系统的稳态性能，并且能够保持理想的瞬态性能。
所添加的零点-5与极点-100构成超前校正器，能够产生如下影响：(1)渐近线向左移动，有利于改善系统的瞬态性能；(2)改变根轨迹的分布图，使超前校正装置的零极点分布合理，并有助于改善系统的瞬态特性。
图11 阶跃响应曲线和Nyquist曲线图12 根轨迹在原点处局部放大的根轨迹绘制阶跃响应曲线和Nyquist曲线图13阶跃响应曲线和Nyquist曲线可以看出摆杆角度最终小于0.04rad，稳定时间在3.0-3.5s之间。
按照操作步骤6的方法导出此时控制器的传递函数.（4）导出控制器的传递函数Cs =484.98 (s+1) (s+5)------------------s (s+100)Cs=tf(Cs)Cs =485 s^2 + 2910 s + 2425-----------------------s^2 + 100 s对此时的控制器传递函数进行离散化如下，c2d(Cs,0.005)ans =485 z^2 - 958.5 z + 473.6-------------------------z^2 - 1.607 z + 0.6065(5) Simulink仿真1、基于线性模型的Simulink仿真分别从信号源库(Sources)、数学运算库(Math Operations)、连续系统库(Continuous)、常用模块(Commonly Used Blocks)、输出方式库(Sinks)中将阶跃信号发生器(Step)、相加器（Sum）、状态空间模型(State-Space)、传递函数(Transfer Fcn)、分线器(Demux) 、示波器(Scope)选中，并将其拖至模型窗口。
按要求将各个模块如图连接好。