基于LabVIEW的倒立擺控制系統(tǒng)研究.pdf

1、倒立擺是一個非線性自然不穩(wěn)定的系統(tǒng),它能直觀反映出很多典型的系統(tǒng)概念,如穩(wěn)定性、可控性、系統(tǒng)收斂速度和系統(tǒng)抗干擾能力等。因倒立擺系統(tǒng)具有高階次、不穩(wěn)定、非線性等特性,因此,研究倒立擺能反映控制中的很多問題,有很重要的理論和實際意義。理論上,很多研究人員將新的控制理論應用倒立擺系統(tǒng)進行驗證,在研究倒立擺的同時他們又能發(fā)掘出新的控制方法。應用上,倒立擺在航空航天,機器人學等領域都有重要的應用。另外,倒立擺還具有結(jié)構簡單,造價低廉,反映效果直

2、觀等優(yōu)點。
　　 LabVIEW是一種強大的圖形化編程軟件,與傳統(tǒng)的編程軟件相比,開發(fā)效率更高,對硬件的支持性更好,是目前測控領域應用最廣泛和最有前途的軟件之一。本文應用NI公司的LabVIEW 2009控制設計工具包作為軟件開發(fā)工具,實現(xiàn)了直線一級倒立擺控制系統(tǒng)。主要工作和研究成果如下:
　　 1、首先,對倒立擺的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其研究意義進行了簡要介紹。對小車進行牛頓力學分析,建立了直線一級倒立擺的數(shù)學模型,在非線性

3、平衡點附近進行線性化,并由此推出了系統(tǒng)的狀態(tài)方程。基于線性化模型對系統(tǒng)進行定性分析,結(jié)果表明倒立擺是不穩(wěn)定、能控、能觀的系統(tǒng)。最后應用LabVIEw軟件實現(xiàn)了整個過程。
　　 2、利用LabVIEW進行了一級倒立擺的LQR控制器的設計和仿真。比較分析了PID控制和最優(yōu)控制策略,最終應用線性二次型最優(yōu)控制方法來實現(xiàn)穩(wěn)擺控制并進行了穩(wěn)定控制仿真。進行了倒立擺系統(tǒng)的LQR控制器方法研究,運用最優(yōu)控制理論,探討了加權矩陣Q和R的選取方法

4、。仿真結(jié)果表明在選擇好合適的輸入量以及Q和R的情況下,得到的LQR控制器其參數(shù)有很好的控制性能。
　　 3、利用LabVIEW進行了一級倒立擺的PV控制器的設計和仿真。采用PV控制方法設計倒立擺的位置控制器,此控制方法具有簡單且安全可靠等優(yōu)點。在實現(xiàn)起擺的同時,可限制車體位移在規(guī)定的范圍內(nèi),且車體速度不會太大,從而平穩(wěn)地實現(xiàn)了兩種控制方法的切換。
　　 4、設計出了模式切換器,使小車能夠自動從自起擺模式切換到擺倒立穩(wěn)定模