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球杆系统是一个典型的实验室控制对象,广泛应用于动力学建模、控制原理等课程的实验教学,也是非线性控制系统研究的一个典型实验平台,国内外不少研究者以球杆系统为对象研究非线性系统的控制问题。
采用虚拟实验平台可以脱离实验室的硬件环境,这不仅便于学生学习,对于研究者来说也可以提供各种实际硬件难于提供的极端实验条件。本文针对这一要求,基于LabVIEW建立了球杆系统的虚拟实验平台,并在这一虚拟平台上进行了球杆系统的模糊控制器设计与研究,具体工作体现在以下几个方面:
1、详细分析了球杆系统的结构组成,根据牛顿经典力学,机械原理等分步建立了球杆机械系统的数学模型。
2、根据直流伺服电机物理模型,利用计算机软硬件进行电机相关数据采集,结合系统辨识的基本原理,通过试验建模,获得电动机模型的基本参数,建立直流伺服电机数学模型。
3、根据球杆系统的状态方程,在LabVIEW软件平台下,运用runge-kutta法求解球杆系统微分方程的数值解,实现系统仿真。
4、采用LabVIEW软件丰富的Picture工具包,可视化建模,创立了球杆系统动态图形化仿真,建立球杆系统的虚拟实验台。
5、采用Lagrange线性化方法对微分方程进行线性化,通过线性化模型设计控制器,采用内环三闭环PID控制电机转角、转速、电流,外环模糊控制与PID控制相结合的方法实现对小球位置的控制。