MATLAB1阶零模型,基于MATLAB一阶倒立摆建模及仿真.doc

基于MATLAB一阶倒立摆建模及仿真

基于MATLAB一阶倒立摆建模及仿真

[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,建立其数学模型研究其稳定性对于很多工程控制有着重大意义。采用机理建模法对一阶倒立摆系统进行分析,建立其数学模型,在用Matlab 软件进行仿真验证,仿真时,观察不同的初始条件下倒立摆的运行特性。

[关键词]倒立摆,数学模型,MATLAB软件,仿真   Modeling and Simulation of an inverted pendulum based on MATLAB   Wei Zhong-hai   (GUANGXI UNIVERSITY College of Electrical Engineering, Nanning, 530004)   [Abstract]the inverted pendulum system is a typical fast, multi variable, nonlinear, unstable system, study the stability is of great significance for many engineering control to establish its mathematical model. Analysis on the inverted pendulum system by using mechanism modeling method, the mathematical model was established, using Matlab software simulation, simulation, observe the running characteristics of different initial conditions of the inverted pendulum.   [Key words]inverted pendulum, mathematical model, MATLAB software, simulation   中图分类号:TH139 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)10-0016-03   1、倒立摆的简介   图1(a)为直线单级倒立摆实际设备,为方便分析,将其抽象这小车与摆杆的示意图,如图1(b)所示。由于小车在水平方向可适当移动,因此,控制小车的移动可使摆杆维持直立不倒;这和手持木棒使之直立不倒的现象很类似,。设加在小车上的力为,摆杆与垂直向上方向的夹角,小车的位置为,垂直向下方向的夹角为(),在空气阻力很小可以忽略、杆是刚性的条件下,建立数学模型。   2、倒立摆的数学建模   根据Newton经典力学,考虑平动、转动两方面问题,进行分析如下:定义逆时针转动为正方向,小车向右运动为正方向,建立如图1(b)的坐标系   设摆杆的重心为,则(1)   根据牛顿定律建立系统垂直和水平方向的动力学方程:   (1)摆杆绕其重心转动的动力学方程为:(2)   式中,为摆杆绕其重心的转动惯量:。这里,杆重力的转动力矩为0,小车运动引起的杆牵连运动的惯性力的转矩也为0。   (2)摆杆重心的水平动力学方???为:(3)   (3)摆杆重心的垂直动力学方程为:(4)   (4)小车的水平动力学方程为:(5)   由式(3)、(5)得:(6)   由式(2)、(3)、(4)得:(7)   于是,计及 得单级倒立摆动力学方程为:   (8)   (9)   令,,计及表 1所给参数,则系统的状态空间表达式为:   (10)   一阶倒立摆的状态空间模型建立。据此模型在MATLAB/Simulink中进行模型的仿真,封装如下:   3、仿真过程及分析   (1)在没有摩擦情况下,当初始状态为时,在10s时给小车为脉冲信号(面积为单位1)。   仿真结果如下:   从图中可以看出:前10s系统处于平衡点,状态为初始值不变。10s-11s,系统得到冲量由于没有摩擦,小车的速度先增加。最后趋于一个非零常数。但由于摆的来回摆动作用,速度在一常数附近波动;摆杆的摆动角度不断在0.5rad~6rad间震荡。在运动过程中,车与摆相互影响,使小车的速度和摆杆的角速度成周期性变化。能量在车的速度与摆动幅度间来回交换,运动会永远保持下去。   (2)在没有摩擦的情况下,初始状态为时,在10s时给小车为脉冲信号(面积为单位1)。分析波形得到结论。   从图中可以看出:前10s系统处于平衡点,状态不变,摆杆的角度为π。10s之后,系统得到冲击量,由于没有摩擦,小车的速度最后趋于一个非零常数,由于摆没有储存势能,仅仅由于摆的摆动速度波动

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