基于倒立摆控制系统的网络化实验室的研究与开发

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倒立摆系统做为一个经典运动控制系统有着极强的不稳定性、非线性、多变量和强耦合性,这与实际工程系统控制中有着很多相似的问题,同时也对控制算法的研究提出了很高的挑战。因此,倒立摆控制系统逐渐成为了成为控制理论算法验证和实际工程对象模拟的经典实验例程。倒立摆的实验教学早已普遍推广,但少量的实验设备与逐年递增的学员数量形成了突出的矛盾,因此建立一个以倒立摆为载体的网络化实验系统无论对理论研究还是对工程应用都有着至关重要的意义。本文就在对倒立摆控制系统研究的基础上搭建了网络化远程控制平台。首先分析了倒立摆系统的结构组成及运行原理,在此基础上应用牛顿--欧拉法建立了系统的数学模型,并对其进行了线性化和定性分析。之后应用推导出的数学模型对倒立摆的稳摆和起摆控制进行了理论研究,其中稳摆控制我们采用了LQR控制算法,据此设计控制器,确定控制器的参数。接着用MatlabSimulink自带的控制模块以及自行编写的S-function函数搭建了倒立摆系统的控制框图,经过大量实验调试后成功实现了倒立摆的本地实时控制。在此基础上,我们应用NetCon系统平台逐步完成了倒立摆的网上建模与仿真,并一一克服了倒立摆无法远程定位及无法远程控制开关的问题,最后搭建起了一个运行稳定、抗干扰能力强的倒立摆网络化实验室。文章理论联系实际,加深了对倒立摆系统从理论研究到实时控制的整体运行机制的理解,搭建成功的网络化控制平台极大地提高了实验教学的效率,加强了网络化实验室的实际可操作性,也为这类对象的网络监控提供了一种可行性方案。
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