双闭环PID控制的一阶倒立摆系统设计与仿真验证

本文档深入探讨了基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统的设计。该控制系统的目标是通过监测小车位置和摆杆摆动角，精确调整驱动电动机的驱动力，确保倒立摆稳定。设计的核心内容包括以下几个方面： 1. **设计概述**：阐述了一阶倒立摆控制系统的基本概念，即通过工业控制器（IPC）实现对小车位置的精确控制，借助SIMULINK封装技术构建模型，实现位置伺服控制的数字仿真。 2. **系统建模**： - **对象模型**：首先建立了实际的物理模型，考虑了振子的质量m和倒摆长度L作为可调节的参数。 - **线性化**：为了方便控制，对模型进行了原点线性化处理，得到简化后的线性模型，便于后续控制算法设计。 3. **双闭环PID控制设计**： - **内环控制**：针对摆杆摆角这一不稳定非最小相位的内环系统，采用了PID控制器进行实时角度控制，确保其稳定响应。 - **外环控制**：以小车位置为外环，通过PID控制整体系统的动态平衡，确保整个倒立摆系统的稳定性。 4. **仿真验证**： - **实验设计**：设计了一系列实验，通过模拟实际操作验证控制器的有效性。 - **M文件编写**：编制了子程序用于图形绘制和数据处理，便于观察仿真结果。 5. **鲁棒性检验**： - **性能指标编写**：编写程序计算系统的性能指标，评估控制系统的稳定性。 - **参数变化验证**：通过改变参数，测试系统的鲁棒性，确保其在不同条件下的适应能力。 6. **结论**：总结了整个设计过程中的关键发现和改进，以及对未来可能的研究方向提出建议。 本文档详细介绍了如何利用双闭环PID控制策略设计一个一阶倒立摆控制系统，包括模型建立、参数设置、控制算法设计以及通过仿真验证其性能和鲁棒性。这一系统不仅具有理论价值，也具有实践意义，对于自动化控制领域的研究和应用具有重要意义。