直线一级倒立摆PID控制实验课件

直线一级倒立摆PID控制实验课件12019年6月6直线一级倒立摆PID控制实验课件12019年6月6实验一直线一级倒立摆PID控制实验1、PID控制分析2、PID控制参数设定及仿真

3、PID控制实验4、实验结果与实验报告本实验的目的是让实验者理解并掌握PID控制的原理和方法，并应用于直线一级倒立摆的控制，PID控制并不需要对系统进行精确的分析，因此我们采用实验的方法对系统进行控制器参数的设置。2感谢你的观看2019年6月6实验一直线一级倒立摆PID控制实验1、PID控制分1、PID控制分析

经典控制理论的研究对象主要是单输入单输出的系统，控制器设计时一般需要有关被控对象的较精确模型。PID控制器因其结构简单，容易调节，且不需要对系统建立精确的模型，在控制上应用较广。

首先，对于倒立摆系统输出量为摆杆的角度，它的平衡位置为垂直向上的情况。系统控制结构框图如下：

3感谢你的观看2019年6月61、PID控制分析经典控制理论的研究1、PID控制分析图1直线一级倒立摆闭环系统图图中KD(s)是控制器传递函数，G(s)是被控对象传递函数。42019年6月61、PID控制分析图1直线一级倒立摆闭环系统图图中K1、PID控制分析考虑到输入r(s)=0，结构图可以很容易的变换成：图2直线一级倒立摆闭环系统简化图52019年6月61、PID控制分析考虑到输入r(s)=0，结构图可以该系统的输出为：其中num——被控对象传递函数的分子项den——被控对象传递函数的分母项numPID——PID控制器传递函数的分子项denPID——PID控制器传递函数的分母项通过分析上式就可以得到系统的各项性能。1、PID控制分析62019年6月6该系统的输出为：其中num——被控对象传递函数的分由(3-13)可以得到摆杆角度和小车加速度的传递函数：PID控制器的传递函数为：需仔细调节PID控制器的参数，以得到满意的控制效果。

前面的讨论只考虑了摆杆角度，那么，在控制的过程中，小车位置如何变化呢？小车位置输出为：通过对控制量v双重积分即可以得到小车位置。1、PID控制分析72019年6月6由(3-13)可以得到摆杆角度和小车加速度的传递函数：PID2、PID控制参数设定及仿真PID参数设定法则可以参考《现代控制工程》第十章PID控制与鲁棒控制，对于PID控制参数，我们采用以下的方法进行设定。由实际系统的物理模型：在Simulink中建立如图所示的直线一级倒立摆模型：

（进入MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”打开“InvertedPendulum\LinearInvertedPendulum\Linear1-StageIPExperiment\PIDExperiments”中的“PIDControlSimulink”））。8感谢你的观看2019年6月62、PID控制参数设定及仿真PID参数设定法则可以参考图3直线一级倒立摆PID控制MATLAB仿真模型2、PID控制参数设定及仿真92019年6月6图3直线一级倒立摆PID控制MATLAB仿真模型2、2、PID控制参数设定及仿真

其中PIDController为封装（Mask）后的PID控制器，双击模块打开参数设置窗口，图4PID参数设置窗口102019年6月62、PID控制参数设定及仿真其中PIDCon2、PID控制参数设定及仿真先设置PID控制器为P控制器，令Kp=9,Ki=0,KD=0,得到以下仿真结果：图5直线一级倒立摆P控制仿真结果图（Kp＝9）112019年6月62、PID控制参数设定及仿真先设置PID控制器为P控制器

从图中可以看出，控制曲线不收敛，因此增大控制量，Kp=40,Ki=0,KD=0得到以下仿真结果：图6直线一级倒立摆P控制仿真结果图（Kp＝40）从图中可以看出，闭环控制系统持续振荡，周期约为0.7s。为消除系统的振荡，增加微分控制参数KD2、PID控制参数设定及仿真122019年6月6从图中可以看出，控制曲线不收敛，因此增大控令Kp=40,Ki=0,KD=4,得到仿真结果如下：图7直线一级倒立摆PD控制仿真结果图（Kp＝40，KD＝4）从图中可以看出，系统稳定时间过长，大约为4秒，且在两个振荡周期后才能稳定，因此再增加微分控制参数KD2、PID控制参数设定及仿真132019年6月6令Kp=40,Ki=0,KD=4,得到仿真结果如下令Kp=40,Ki=0,KD=10，仿真得到如下结果：图8直线一级倒立摆PD控制仿真结果图（Kp＝40，KD＝10）从上图可以看出，系统在1.5秒后达到平衡，但是存在一定的稳态误差。2、PID控制参数设定及仿真142019年6月6令Kp=40,Ki=0,KD=10，仿真得到如下结果：为消除稳态误差，我们增加积分参数Ki，令Kp=40,Ki=0,KD=10得到以下仿真结果：

从上面仿真结果可以看出，系统可以较好的稳定，但由于积分因素的影响，稳定时间明显增大。2、PID控制参数设定及仿真152019年6月6为消除稳态误差，我们增加积分参数Ki，令Kp=40,双击“Scope1”，得到小车的位置输出曲线为：

可以看出，由于PID控制器为单输入单输出系统，所以只能控制摆杆的角度，并不能控制小车的位置，所以小车会往一个方向运动。2、PID控制参数设定及仿真162019年6月6双击“Scope1”，得到小车的位置输出曲线为：也可以采用编写M文件的方法进行仿真。（进入MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”打开“InvertedPendulum\LinearInvertedPendulum\Linear1-StageIPExperiment\PIDExperiments”中的“PIDControlMFiles”）2、PID控制参数设定及仿真172019年6月6也可以采用编写M文件的方法进行仿真。2、PID控制参PRO3-6直线一级倒立摆PID控制MATLAB仿真程序%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%GoogolLinear1stageInvertedPendulumPIDControl%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%clear;num=[0.02725];den=[0.01021250-0.26705];kd=10%pidcloseloopsystempendantresponseforimplusesignalk=40ki=10numPID=[kdkki];denPID=[10];numc=conv(num,denPID)denc=polyadd(conv(denPID,den),conv(numPID,num))t=0:0.005:5;figure(1);impulse(numc,denc,t)2、PID控制参数设定及仿真182019年6月6PRO3-6直线一级倒立摆PID控制MATLAB仿真运行后得到如下的仿真结果：2、PID控制参数设定及仿真192019年6月6运行后得到如下的仿真结果：2、PID控制参数设定及仿真13、PID控制实验实时控制实验在MATALBSimulink环境下进行，用户在实验前请仔细阅读使用手册。

在进行MATLAB实时控制实验时，请用户检查倒立摆系统机械结构和电气接线有无危险因素存在，在保障实验安全的情况下进行实验。20感谢你的观看2019年6月63、PID控制实验实时控制实验在MATA3.1MATLAB版实验软件下的实验步骤1)打开直线一级倒立摆PID控制界面入下图所示：（进入MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”打开“InvertedPendulum\LinearInvertedPendulum\Linear1-StageIPExperiment\PIDExperiments”中的“PIDControlDemo”）3、PID控制实验212019年6月63.1MATLAB版实验软件下的实验步骤1)打开直线一级2)双击“PID”模块进入PID参数设置，如下图所示：把仿真得到的参数输入PID控制器，点击“OK”保存参数。3、PID控制实验222019年6月62)双击“PID”模块进入PID参数设置，如下图所示：把3)点击编译程序，完成后点击使计算机和倒立摆建立连接。4)点击运行程序，检查电机是否上伺服，如果没有上伺服，请参见直线倒立摆使用手册相关章节。缓慢提起倒立摆的摆杆到竖直向上的位置，在程序进入自动控制后松开，当小车运动到正负限位的位置时，用工具挡一下摆杆，使小车反向运动。3、PID控制实验232019年6月63)点击编译程序，完成后点击使计算机和倒立摆建立连接。45)实验结果如下图所示：从图中可以看出，倒立摆可以实现较好的稳定性，摆杆的角度在3.14（弧度）左右。同仿真结果，PID控制器并不能对小车的位置进行控制，小车会沿滑杆有稍微的移动。3、PID控制实验242019年6月65)实验结果如下图所示：从图中可以看出，倒立在给定干扰的情况下，小车位置和摆杆角度的变化曲线如下图所示：

可以看出，系统可以较好的抵换外界干扰，在干扰停止作用后，系统能很快回到平衡位置。3、PID控制实验252019年6月6在给定干扰的情况下，小车位置和摆杆角度的变化曲线如下图所示：修改PID控制参数，例如：3、PID控制实验262019年6月6修改PID控制参数，例如：3、PID控制实验2620

观察控制结果的变化，可以看出，系统的调整时间减少，但是在平衡的时候会出现小幅的振荡。3、PID控制实验272019年6月6观察控制结果的变化，可以看出，系统的调整时间减282019年6月6282019年6月64、实验结果与实验报告请将计算步骤，仿真和实验结果记录并完成实验报告：29感谢你的观看2019年6月64、实验结果与实验报告请将计算步骤，仿真和实验结果记录并完直线一级倒立摆PID控制实验课件302019年6月6直线一级倒立摆PID控制实验课件12019年6月6实验一直线一级倒立摆PID控制实验1、PID控制分析2、PID控制参数设定及仿真

3、PID控制实验4、实验结果与实验报告本实验的目的是让实验者理解并掌握PID控制的原理和方法，并应用于直线一级倒立摆的控制，PID控制并不需要对系统进行精确的分析，因此我们采用实验的方法对系统进行控制器参数的设置。31感谢你的观看2019年6月6实验一直线一级倒立摆PID控制实验1、PID控制分1、PID控制分析

经典控制理论的研究对象主要是单输入单输出的系统，控制器设计时一般需要有关被控对象的较精确模型。PID控制器因其结构简单，容易调节，且不需要对系统建立精确的模型，在控制上应用较广。

首先，对于倒立摆系统输出量为摆杆的角度，它的平衡位置为垂直向上的情况。系统控制结构框图如下：

32感谢你的观看2019年6月61、PID控制分析经典控制理论的研究1、PID控制分析图1直线一级倒立摆闭环系统图图中KD(s)是控制器传递函数，G(s)是被控对象传递函数。332019年6月61、PID控制分析图1直线一级倒立摆闭环系统图图中K1、PID控制分析考虑到输入r(s)=0，结构图可以很容易的变换成：图2直线一级倒立摆闭环系统简化图342019年6月61、PID控制分析考虑到输入r(s)=0，结构图可以该系统的输出为：其中num——被控对象传递函数的分子项den——被控对象传递函数的分母项numPID——PID控制器传递函数的分子项denPID——PID控制器传递函数的分母项通过分析上式就可以得到系统的各项性能。1、PID控制分析352019年6月6该系统的输出为：其中num——被控对象传递函数的分由(3-13)可以得到摆杆角度和小车加速度的传递函数：PID控制器的传递函数为：需仔细调节PID控制器的参数，以得到满意的控制效果。

前面的讨论只考虑了摆杆角度，那么，在控制的过程中，小车位置如何变化呢？小车位置输出为：通过对控制量v双重积分即可以得到小车位置。1、PID控制分析362019年6月6由(3-13)可以得到摆杆角度和小车加速度的传递函数：PID2、PID控制参数设定及仿真PID参数设定法则可以参考《现代控制工程》第十章PID控制与鲁棒控制，对于PID控制参数，我们采用以下的方法进行设定。由实际系统的物理模型：在Simulink中建立如图所示的直线一级倒立摆模型：

（进入MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”打开“InvertedPendulum\LinearInvertedPendulum\Linear1-StageIPExperiment\PIDExperiments”中的“PIDControlSimulink”））。37感谢你的观看2019年6月62、PID控制参数设定及仿真PID参数设定法则可以参考图3直线一级倒立摆PID控制MATLAB仿真模型2、PID控制参数设定及仿真382019年6月6图3直线一级倒立摆PID控制MATLAB仿真模型2、2、PID控制参数设定及仿真

其中PIDController为封装（Mask）后的PID控制器，双击模块打开参数设置窗口，图4PID参数设置窗口392019年6月62、PID控制参数设定及仿真其中PIDCon2、PID控制参数设定及仿真先设置PID控制器为P控制器，令Kp=9,Ki=0,KD=0,得到以下仿真结果：图5直线一级倒立摆P控制仿真结果图（Kp＝9）402019年6月62、PID控制参数设定及仿真先设置PID控制器为P控制器

从图中可以看出，控制曲线不收敛，因此增大控制量，Kp=40,Ki=0,KD=0得到以下仿真结果：图6直线一级倒立摆P控制仿真结果图（Kp＝40）从图中可以看出，闭环控制系统持续振荡，周期约为0.7s。为消除系统的振荡，增加微分控制参数KD2、PID控制参数设定及仿真412019年6月6从图中可以看出，控制曲线不收敛，因此增大控令Kp=40,Ki=0,KD=4,得到仿真结果如下：图7直线一级倒立摆PD控制仿真结果图（Kp＝40，KD＝4）从图中可以看出，系统稳定时间过长，大约为4秒，且在两个振荡周期后才能稳定，因此再增加微分控制参数KD2、PID控制参数设定及仿真422019年6月6令Kp=40,Ki=0,KD=4,得到仿真结果如下令Kp=40,Ki=0,KD=10，仿真得到如下结果：图8直线一级倒立摆PD控制仿真结果图（Kp＝40，KD＝10）从上图可以看出，系统在1.5秒后达到平衡，但是存在一定的稳态误差。2、PID控制参数设定及仿真432019年6月6令Kp=40,Ki=0,KD=10，仿真得到如下结果：为消除稳态误差，我们增加积分参数Ki，令Kp=40,Ki=0,KD=10得到以下仿真结果：

从上面仿真结果可以看出，系统可以较好的稳定，但由于积分因素的影响，稳定时间明显增大。2、PID控制参数设定及仿真442019年6月6为消除稳态误差，我们增加积分参数Ki，令Kp=40,双击“Scope1”，得到小车的位置输出曲线为：

可以看出，由于PID控制器为单输入单输出系统，所以只能控制摆杆的角度，并不能控制小车的位置，所以小车会往一个方向运动。2、PID控制参数设定及仿真452019年6月6双击“Scope1”，得到小车的位置输出曲线为：也可以采用编写M文件的方法进行仿真。（进入MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”打开“InvertedPendulum\LinearInvertedPendulum\Linear1-StageIPExperiment\PIDExperiments”中的“PIDControlMFiles”）2、PID控制参数设定及仿真462019年6月6也可以采用编写M文件的方法进行仿真。2、PID控制参PRO3-6直线一级倒立摆PID控制MATLAB仿真程序%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%GoogolLinear1stageInvertedPendulumPIDControl%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%clear;num=[0.02725];den=[0.01021250-0.26705];kd=10%pidcloseloopsystempendantresponseforimplusesignalk=40ki=10numPID=[kdkki];denPID=[10];numc=conv(num,denPID)denc=polyadd(conv(denPID,den),conv(numPID,num))t=0:0.005:5;figure(1);impulse(numc,denc,t)2、PID控制参数设定及仿真472019年6月6PRO3-6直线一级倒立摆PID控制MATLAB仿真运行后得到如下的仿真结果：2、PID控制参数设定及仿真482019年6月6运行后得到如下的仿真结果：2、PID控制参数设定及仿真13、PID控制实验实时控制实验在MATALBSimulink环境下进行，用户在实验前请仔细阅读使用手册。

在进行MATLAB实时控制实验时，请用户检查倒立摆系统机械结构和电气接线有无危险因素存在，在保障实验安全的情况下进行实验。49感谢你的观看2019年6月63、PID控制实验实时控制实验在MATA3.1MATLAB版实验软件下的实验步骤1)打开直线一级倒立摆PID控制界面入下图所示：（进入MATLABSimulink实时控制工具箱“GoogolEducationProducts”打开“InvertedPendulum\LinearInvertedPendulum\Linear1-StageIPEx