二级倒立摆建模(二)

  • 一、实验题目

1.1、题目要求:二阶倒立摆控制系统设计及仿真

二级倒立摆建模(二)_第1张图片

忽略空气阻力和各种摩擦力之后,可视二阶直线倒立摆系统是一个运动刚体系统,其简化结构如右图所示,建模过程假设如下:

1、上、下摆杆都是在运动中不变的刚体;

2、皮带轮和传动带之间相互无滑动,传动带无伸长现象;

3、直流放大器的输出和输入之间是纯线性关系,电机电枢绕组中的电感忽略不计;

4、小车在横轴上运动时所受的摩擦阻力正比于小车的速度,下摆旋转时所受的摩擦阻力矩正比于下摆的旋转速度,上摆运动所受到的摩擦。

1.2系统参数

符号

意义

取值

M

小车的质量

1.30kg

m1

摆杆1质量

0.04kg

m2

摆杆2质量

0.13kg

m

质量块的质量

0.20kg

l1

  摆杆1质心到转动中心的距离

0.09m

l2

  摆杆2质心到转动中心的距离

0.27m

x

小车的位置

/rad

θ1

倒立1与垂直方向的夹角/rad

/rad

θ2

倒立2与垂直方向的夹角/rad

         /rad

g

重力加速度

9.8m/s^2

二、二级倒立摆数学建模

小车的总动能:

下摆的动能:

下摆的动能:

二级倒立摆建模(二)_第2张图片

上摆的动能:

二级倒立摆建模(二)_第3张图片

二级倒立摆建模(二)_第4张图片

质量块的动能:

二级倒立摆建模(二)_第5张图片

系统的总动能:

二级倒立摆建模(二)_第6张图片

系统的总势能:

由拉格朗日算子
二级倒立摆建模(二)_第7张图片 根据

解得

二级倒立摆建模(二)_第8张图片 二级倒立摆建模(二)_第9张图片

二级倒立摆建模(二)_第10张图片  

三、二阶倒立摆的线性化模型

  我们在后面利用倒立摆的状态空间模型进行能控能观性的分析、状态反馈极点配置、观测器的设计都需要用到倒立摆的线性化的模型,所以我们在这里首先将二阶倒立摆系统在平衡点位置附近进行泰勒级数展开,从而进行线性化。

  从上面的推到我们得到了二阶倒立摆的精确数学模型,由此可以进行如下的线性化:

设二阶倒立摆的精确数学模型表示为:

由泰勒级数定义可以得到:

  根据二阶倒立摆的相关参数,可以进行计算:

四、二阶倒立摆的状态空间模型推导

通过上面推导我们得到

这里我们取 为这个系统的状态变量。

二级倒立摆建模(二)_第11张图片

  我们可以得到,在二阶倒立摆工作在平衡点附近的时候, 成正比,所以我们可以选择 为这个系统的控制输入。所以可以得到:

 我们可以得到,在二阶倒立摆工作在平衡点附近的时候,Fx 成正比,所以我们可以选择u=x 为这个系统的控制输入。所以可以得到:

= 二级倒立摆建模(二)_第12张图片                   

  通过上面的线性化模型,可以得到:

二级倒立摆建模(二)_第13张图片                

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代入线性化模型数据可得:

二级倒立摆建模(二)_第14张图片 ​​​​​​​

二级倒立摆建模(二)_第15张图片 ​​​​​​​

                    

 

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