倒立摆实验报告

Adams与Matlab联合仿真程序设计实验报告基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验一、 实验目的：熟悉动力学分析的基本原理和基本方法；掌握动力学仿真软件ADAMS的基本操作；掌握控制仿真软件MATLAB的基本操作；对分析结果进行正确的评价。二、 实验原理：基于ADAMS的模型和基于MATLAB/Simulink控制系统模型进行针对联合仿真试验。三、 软件环境：MDADAMSR3，MATLABR2009b四、 实验步骤：参见实验指导书。五、 实验报告5.1建模方法的选择系统建模的方法可以分为两种：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一输出关系。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一状态关系。由于倒立摆系统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。在本设计中采用牛顿-欧拉方法建立单级倒立摆系统的数学模型。为了方便研究倒立摆系统的控制方法，建立一个比较精确的倒立摆系统的模型是必不可少的。目前，人们对倒立摆系统建模一般采用两种方法：牛顿力学分析方法，欧拉一拉格朗日原理。本文采用牛顿一欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的模型。

5.2倒立摆系统模型倒立摆系统由水平移动的小车及由其支撑的单节倒立摆构成。控制输入为驱动力尸(N)，是由拖动小车的直流伺服电机提供的；被控制量是摆杆与垂直位置实际倒立摆系统的模型参数：M:小车的品质，1.096kg；m:摆杆的品质，0.109kg；b:小车的摩擦系数，0.1N/(m/sec)；L:摆杆的中心到转轴的长度，0.25mJ：摆杆对重心的转动惯量，0.0034kgm2；T:采样周期，0.005秒；对小车进行受力分析，图中P和N分别表示摆杆运动在水平方向和垂直方向上对小车的作用力(N)，尤是小车的摩擦力，等于bx。摆的运动由水平方向、铅直方向以及旋转方向的运动构成。以小车与摆的节点为坐标原点取坐标系，对摆杆进行受力分析，小车和摆杆受力分析如图2-2所示。5.3控制方法的选择控制方法的选择是倒立摆系统的核心内容，因为倒立摆是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰，就必须选择行之有效的控制方法。下面是现阶段运用较广的几种控制算法：线性控制：PID控制、状态回馈控制、LQR控制算法预测控制：变结构控制、自适应控制智慧控制：模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等多种算法相结合的控制经过对这多种控制方法的控制效果和可操作性进行反复对比之后，本实验将选用PID算法作为倒立摆系统的主要控制方法。5.4倒立摆ADAMS模型建立根据实验指导书的步奏，建立起倒立摆的物理模型并按要求添加约束，设置好实验参数，设置好实验参数后模型如图所示：模型建立完毕后定义好输入输出的变量，并导出ADAMS模型文件，上述步奏完成后matlab已经可以读取ADAMS模型的相关信息了ADAMS和matlab的联合仿真DAMS/control模块是实现ADAMS与MATLAB连接的关键，ADAMS/Controls是ADAMS软件包中的一个集成可选模块。在ADAMS/Controls中，设计师既可以通过简单的继电器，逻辑与非门，阻尼线圈等建立简单的控制机构，也可利用通用控制系统软件（如MATLAB，MATRIX，EASY5）建立的控制系统框图，建立包括控制系统，液压系统，气动系统和运动机械系统的仿真模型。通过control模块中的的PlantExport实现，在FilePrefix一栏中填入要输入MATLAB的文件名，在PlantInput和PlantOutput中分别选择上一步建立的输入和输出变量，在控制模块一栏选择MATLAB，这样就完成了定义输入输出，点击OK，。在ADAMS工作目录中生成dlb.m、dlb.cmd、dlb.adm这3个文件。构建控制模型控制模型如图所示:仿真时间设置为5s。点击start命令，开始进行联合仿真，几秒钟后，将弹出一个DOS窗口，显示ADAMS在联合仿真分析中的各种数据。联合仿真结束后，仿真结果既可以在MATLAB/Simulink中查看，也可以在ADAMS后处理器中查看。图26和图27分别为Simulink模型中示波器输出的摆杆摆角随时间变换曲线和输入力矩随时间变

化曲线。图26摆杆摆角随时间变化曲线 图27输入力矩随时间变化曲线实验结果：由图26和图27可以看出，摆杆的摆角在输入力矩的作用下，转角由0逐渐增大，当到达最大摆角（5°）时，保持不变。系统的脉冲响应、阶跃响应响应图先设置PID控制器为P控制器，令土二10，K「o,K°=0,得到仿真结果如图

从图中可以看出，控制曲线不收敛，因此增大控制量，K=100，K=0，K=0，p l1 D得到仿真结果如图所示。从图中可以看出，闭环控制系统持续振荡，为消除系统的振荡，增加微分控,制参数,制参数K，令K=100，K=0，K=20，得到仿真结果如图所示。D P D由图可以看出，在脉冲响应下，小车的摆角可以得到很好的控制。此时，小车位移的输出如图所示。

脉冲响应下小车的位移输出上面已经对倒立摆系统在脉冲响应下的性能做了分析，下面，我们分析系统在阶跃响应下的响应。利用Simulink框图，根据在脉冲响应下调好的PID参数，仿真后，我们可以得到摆角和小车位移的输出分别如图和所示阶跃响应时摆角输出

阶跃响应时小车位移输出可以看出，在阶跃响应下，摆角的输出有发散的趋势，出现这种现象的原因我们在分析系统