直线型倒立摆实验

实验一直线倒立摆建模、仿真及实验实验目的：本实验的目的是让学生掌握对实际系统进行建模的方法，熟悉利用MATLAB 对系统模型进行仿真，对实验结果进行观察和分析，直观的感受系统模型的数学意义。

实验内容：1.建立一级倒立摆的数学模型；2.分析一级倒立摆的可控性；3.分析一级倒立摆模型的阶跃响应实验器材（装置）：实验要求：建立一级倒立摆的数学模型，分别计算摆杆角度和小车位移的传递函数，摆杆角度和小车加速度的传递函数，并建立相应的状态空间方程；利用状态空间方程分析一级倒立摆的可控性；利用传递函数分析一级倒立摆模型的阶跃响应；记录实验中的数据和图。

实验步骤（方法）：实验记录与数据处理：注意事项：1.1 直线一级倒立摆的物理模型系统建模可以分为两种：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。

对于倒立摆系统，由于其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。

下面我们采用牛顿－欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型。

1.1.1微分方程的推导牛顿力学方法在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，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。

我们不妨做以下假设：M 小车质量m 摆杆质量b 小车摩擦系数l 摆杆转动轴心到杆质心的长度I 摆杆惯量F 加在小车上的力x小车位置φ 摆杆与垂直向上方向的夹角θ摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下）图 1-1 直线一级倒立摆模型图是系统中小车和摆杆的受力分析图。

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。

注意：在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已经完全确定，因而矢量方向定义如图所示，图示方向为矢量正方向。

图 1-2 小车及摆杆受力分析分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：N x b F xM −−=&&& （1-1） 由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：)sin (22θl x dtd m N += （1-2） 即： (1-3) F ml ml xm N =−+=θθθθsin cos 2&&&&&把这个等式带入式（1-1）中，就得到系统的第一个运动方程：F ml ml x b xm M =−+++θθθθsin cos )(2&&&&&& (1-4) 为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：)cos (22θl dtd m mg P =− (1-5) θθθθcos sin 2&&&ml ml mg P −−=− (1-6) 力矩平衡方程如下：θθθ&&I Nl Pl =−−cos sin (1-7) 注意：此方程中力矩的方向，由于θ=π+φ,cos φ=−cos θ,sin φ=−sin θ，故等式前面有负号。

合并这两个方程，约去P 和N ，得到第二个运动方程：θθθcos sin )(2xml mgl ml I &&&&−=++ (1-8) 设θ=π+φ（φ是摆杆与垂直向上方向之间的夹角），假设φ与1（单位是弧度）相比很小，即φ<<1，则可以进行近似处理：cos θ=−1，sin θ=−φ，02=⎟⎠⎞⎜⎝⎛dt d θ 。

用u 来代表被控对象的输入力F ，线性化后两个运动方程如下：⎪⎩⎪⎨⎧=−++=−+u ml x b x m M x ml mgl ml I φφφ&&&&&&&&&)()(2 （1-9） 对式(1-9)进行拉普拉斯变换，得到⎪⎩⎪⎨⎧=Φ−++=Φ−Φ+)()()()()()()()()(22222s U s s ml s s bX s s X m M s s mlX s mgl s s ml I （1-10） 注意：推导传递函数时假设初始条件为0。

由于输出为角度φ，求解方程组的第一个方程，可以得到：)(])([)(22s sg ml ml I s X Φ−+= （1-11） 或mgls ml I mls s X s −+=Φ222)()()( （1-12） 如果令v =x ，则有：mgls ml I ml s V s −+=Φ22)()()( (1-13） 把上式代入方程组的第二个方程，得到：)()()(])([)(])()[(222222s U s s ml s s sg ml ml I b s s s g ml ml I m M =Φ−Φ+++Φ−++ （1-14） 整理后得到传递函数：s qbmgl s q mgl m M s q ml I b s s q ml s U s −+−++=Φ23242)()()()( （1-15） 设系统状态空间方程为：DuCX y Bu AX X +=+=& （1-16） 方程组对解代数方程，得到解如下： φ&&&&,x⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧+++++++++−==++++++++++−==u Mml m M I ml Mml m M I m M mgl x Mml m M I mlb u Mml m M I ml I Mml m M I gl m x Mml m M I b ml I x x x 2222222222)()()()()()()()()(φφφφφ&&&&&&&&&& （1-17） 整理后得到系统状态空间方程：u Mml m M I ml Mml m M I ml I x x Mml m M I m M mgl Mml m M I mlb Mml m M I gl m Mml m M I b ml I x x ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++++⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+++++−+++++−=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡2222222222)(0)(00)()()(010000)()()(00010φφφφ&&&&&&&& u x x x y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0001000001φφφ&& （1-18） 由(1-9)的第一个方程为： xml mgl ml I &&&&=−+φφ)(2对于质量均匀分布的摆杆有：231ml I = 于是可以得到：x ml mgl ml ml &&&&=−+φφ)31(22 化简得到：x ll g &&&&4343+=φφ （1-19） 设，，则有： },,,{φφ&&x x X =xu &&=′u l x x lg x x ′⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡4301004300100000000010φφφφ&&&&&&&& u x x x y ′⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0001000001φφφ&& （1-20） 另外，也可以利用MATLAB 中tf2ss 命令对(1-13)式进行转化，求得上述状态方程。

1.1.2系统物理参数实际系统的模型参数如下:M 小车质量 1.096 Kgm 摆杆质量 0.109Kg b 小车摩擦系数 0 .1N/m/secl 摆杆转动轴心到杆质心的长度 0.25m I 摆杆惯量 0.0034 kg*m*m1.1.3实际系统模型把上述参数代入，可以得到系统的实际模型。

摆杆角度和小车位移的传递函数：26705.00102125.002725.0)()(22−=Φs s s X s （1-24） 摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：26705.00102125.002725.0)()(2−=Φs s V s （1-25） 摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：30942.29169.270883167.035655.2)()(23−−+=Φs s s s s U s （1-26） 以外界作用力作为输入的系统状态方程：u x x x x ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡35655.20883167.0008285.27235655.0010000629317.00883167.000010φφφφ&&&&&&&& u x x x y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0001000001φφφ&& （1-27） 以小车加速度作为输入的系统状态方程：u x x x x ′⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡301004.2900100000000010φφφφ&&&&&&&& u x x x y ′⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0001000001φφφ&& （1-28） 需要说明的是，在固高科技所有提供的控制器设计和程序中，采用的都是以小车的加速度作为系统的输入，如果用户需要采用力矩控制的方法，可以参考以上把外界作用力作为输入的各式。

1.2系统可控性分析系统的可控性分析原理可参考《现代控制工程》中第11 章的控制系统的状态分析内容或其它相关资料。

对于连续时间系统： DuCX y Bu AX X +=+=&系统状态完全可控的条件为：当且仅当向量组[]B A B A AB Bn 12...−是线性无关的，或n ×n 维矩阵n −1B ]的秩为n 。